Краткая история развития МП компании Intel

Г.Г. Матушкин

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА

Учебное пособие для студентов 3 курса направлений:

200100 – «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ»;

201000 – «БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ»;

230400 – «ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ».

НГТУ

СОДЕРЖАНИЕ

стр

I.Общий обзор развития микропроцессорной техники………….………… 3

II. Регистровая архитектура МП семейства Х86……………………………28

III. Управление памятью………………………………………………………44

IV. Кэш-память и принципы ее организации………………………………...79

V. Система прерываний ………………………………………………………98

VI. Методы защиты……………………………………………………………111

VII. Организация мультизадачности………………………………………… 128

VIII. Шинные циклы и конвейерная обработка команд……………………...139

IX. Режимы работы процессоров МП семейства Х86…………….………...148

X.Особенности микроархитектуры Sandy Bridge………………………...…156

ПРИЛОЖЕНИЯ

П.1 Формат команд МП семейства Х86………...…………….……....175

П.2 Введение в технологию программирования на ассемблере…….184

П.3 Перечень некоторых аббревиатур……………………….………..198

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………..………………… 203

I. ОБЩИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ.

Введение

Процессор– это основной блок компьютера, на который возложена задача обработки информации, в соответствии с заданным в программе пользователя алгоритмом, а также управления работой компьютера в целом.

Микропроцессор (МП) –процессор, выполненныйв микроэлектронном исполнении в виде одной интегральной микросхемы. Поскольку в настоящее время процессоры всех без исключения компьютеров выполняются только в интегральном исполнении, то понятия процессора и микропроцессора стало, по сути дела, эквивалентным. Кроме того, современные микропроцессоры включают в себя не только устройства обработки и управления классического процессора, включая блок обработки чисел с плавающей запятой (так называемый арифметический сопроцессор). На кристалле микропроцессора располагают кэш-память первого и второго уровня, а в МП Pentium 4XE, AMD Phenom, Intel Core 2, или серверных микропроцессорах Intel Itanium – даже и третьего уровня. Более того, в последних разработках, в состав кристалла микропроцессора включают также блоки управления оперативной памятью компьютера, контроллер видеосистемы, блок автоматической оптимизации работы микропроцессора по критерию максимальной производительности при заданном допустимом энергопотреблении и др.

С другой стороны, в связи с тенденцией децентрализации процессов управления в современных компьютерах, для локального управления функционированием отдельных блоков компьютера, в настоящее время, широко используют выделенные специализированные процессоры. Так для эффективного управления видеопамятью дисплея выделяются так называемые видеопроцессоры. Для конкретной реализации в высокопроизводительных компьютерах процесса обмена информацией с периферийными устройствами – процессоры ввода/вывода и т. д. Если функции управления, выполняемые такими процессорами, достаточно просты, то последние носят название контроллеров, например, контроллер памяти, контроллер шины, контроллер прерываний, или контроллер прямого доступа к памяти.

Поэтому процессор, на который возлагается основная обработка программ пользователя и управление работой всего компьютера в целом, обычно называют центральным процессором – CPU (Central Processor Unit).

В настоящее время во всем мире выпускаются огромное количество микропроцессоров, предназначенных для использования в компьютерах самого различного назначения. При этом ведущее положение на рынке универсальных МП для персональных компьютеров занимают: корпорация INTEL (Integrated Electronics) и фирма AMD (Advanced Micro Device), которые ведут между собой острейшую конкурентную борьбу. На рынке МП для серверов, mainframes и суперкомпьютеров к ним присоединяются еще и такие мощные фирмы, как Motorola, IBM и ряд других.

Обычно, процессоры относят к двум основным типам архитектур, рассматриваемых на уровне системы команд МП. Первые - с так называемой CISC - архитектурой, и вторые - с RISC – архитектурой.

CISC(Complete Instruction Set Computing – вычисления с полным набором команд).

До последнего времени эта архитектура является практическим стандартом для рынка персональных компьютеров. Для CISC – процессоров характерно:

· большое количество машинных команд (так для МП Pentium 4 насчитывалось более 360 команд), причем выполнение некоторых из них может занимать достаточно большое количество тактов;

· большое количество методов адресации (для МП серии Pentium – 11, в том числе несколько видов косвенной адресации);

· большое количество форматов команд различной длины (от 1 байта до 15 байт в МП семейства i80Х86 и до Intel Core второго поколения);

· наличие команд обработки типа регистр – память.

К преимуществам МП с CISC – архитектурой можно отнести:

1. Трансляторы с языков высокого уровня для этих МП оказываются более простыми и более быстродействующими.

2. Программирование на языке ассемблера существенно упрощается.

К недостаткам МП с CISC – архитектурой относится то, что при ней, обычно, усложняется декодирование команд, что сказывается на быстродействии компьютера в целом.

Лидером в разработке МП с CISC – архитектурой считается фирма INTEL со своим семейством i80Х86 (iAPX86), начало которого было положено в 1978 году появлением на рынке МП i8086.

Однако, через некоторое время, ограниченность возможности размещения элементов на площади кристалла микросхемы микропроцессора, при существующей технологии их изготовления, привело к определенным затруднениям. Расширенный набор команд при CISC архитектуре требовало в типовом случае примерно 60 % площади кристалла для размещения элементов, необходимых для схем управления, а оставшиеся 40 % были недостаточны для размещения соответствующих операционных блоков. Поэтому у разработчиков созрело решение упростить и сократить систему команд, с тем, чтобы увеличить место на кристалле для размещения операционной части микропроцессора. Это решение вылилось в разработке RISC – архитектуры, основная стратегия которой заключалась в том, чтобы обеспечить рост производительности с помощью высокой скорости выполнения большого числа простых операции, а не уменьшения количества команд, как при CISC – архитектуре.

RISC (Reduced Instruction Set Computing – вычисления с сокращенным набором команд). МП с этой архитектурой впервые появились в 1980 г., когда фирмой Silicon Graphics впервые были разработаны миникомпьютеры RISC-1 и RISC-2. Основные принципы RISC – архитектуры заключаются в следующем.

1. Любая операция, вне зависимости от её типа, должна выполняться за один такт.

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

3. Операции обработки данных реализуются только в формате «регистр – регистр». Обмен между оперативными регистрами и памятью (модификация переменных в памяти) выполняется только с помощью команд загрузки/записи.

4. Состав системы команд должен быть достаточно «удобен» для компиляции операторов языков высокого уровня.

Поэтому, для RISC – процессоров характерно:

· резкое уменьшение числа машинных команд (до нескольких десятков). Они просты и реализуют одну простую операцию;

· выполнение любой команды обычно занимает всего один такт;

· отсутствие косвенной адресации;

· отделение команд обработки от команд обращения к памяти. Для этого команды обработки используют обширный набор РОН (от 32 до 128 и больше регистров по сравнению с 8…16 регистрами РОН, используемыми в CISC – процессорах). Это позволяет большему объему данных храниться в РОН на кристалле МП большее время и, следовательно, позволяет процессору реже обращаться к оперативной памяти, а также упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные;

· форматы команд фиксированы, что позволяет гораздо проще декодировать их аппаратными методами;

· для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения декодирования команд дает возможность сохранять большое число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

К преимуществам МП с RISC – архитектурой можно отнести:

1. Производительность МП повышается, за счет использования большого объема регистровой памяти и, в связи с этим, использованием команд обработки типа регистр-регистр;

2. RISC – система команд позволяет легче повысить производительность процессоров путем введения так называемой суперскалярной обработки, при которой на параллельные конвейеры, одновременно, выдается на обработку несколько команд (до 6 команд – в серверных МП семейства Itanium, или процессоров линии Intel Core i7 микроархитектуры Nehalem или Sandy Bridge).

С другой стороны МП RISC – архитектуры имеют и недостатки, а именно:

1. Трансляция команд с языка высокого уровня в компьютерах RISC - архитектуры осуществляется существенно сложнее, не говоря уже о гораздо большем неудобстве программирования на соответствующем языке Ассемблера.

2. Поскольку, при этом, сложные команды реализуются в виде подпрограмм RISC – команд, то довольно существенно увеличивается требуемый объем программной памяти по сравнению с CISC – архитектурой.

3. Меньшее разнообразие команд в них ведет к увеличению числа ветвлений. А это обстоятельство, даже при хорошей работе блока предсказания ветвлений, ведет к общему снижению производительности.

Особенности RISC – архитектуры привели к тому, что RISC процессоры стали распространяться главным образом в тех компьютерах, в которых быстродействие выступает на передний план (серверы, рабочие станции). В персональных же компьютерах и Mainframes преобладали МП с CISC – системой команд.

Первое время, после создания МП с RISC – системой команд между сторонниками CISC и RISC – архитектур велась яростная дискуссия о преимуществах и недостатках этих систем. Однако к настоящему времени эта борьба затихла и затихла по двум причинам.

1. Каждая архитектура определила свою предпочтительную область применения, указанную выше.

2. Совершенствование технологического процесса достигло такого уровня, что трудности в размещении блоков операционной и управляющей частями процессора на кристалле перестали быть критическими.

3. В современных процессорах наблюдается тенденция использования как бы некоторой смешанной архитектуры. Так уже в последних типах МП корпорации Intel: серий Pentium, Intel Core 1 и 2, а также фирмы AMD: серий Atlon и Phenom I и II, основная система CISC - команд, предоставляемая пользователю, внутри МП, автоматически, программным или аппаратным образом, преобразуются в RISC – команды, которые уже непосредственно декодируются и также аппаратно. При этом, для увеличения используемых регистров общего назначения используется, например, такой прием, как переименование регистров. Таким образом, в этом случае удобство программирования, компилирования и экономии программной памяти, присущее CISC – архитектуре, сочетается с эффективными способами повышения производительности, которые характерны для RISC – архитектуры.

В последнее время стали выделять еще, так называемую, EPIC – архитектуру (EPIC -Explicitly Parallel Instruction Computing – технология вычислений с заданным, (явным) параллелизмом команд). Она используется, например, в 64-разрядных МП Itanium и Itanium II, разработанных корпорацией Intel совместно с корпорацией HP (Hewlett-Packard). Эта технология также позволяет параллельно обрабатывать большое число команд, но в отличие от других технологий параллельной обработки, которые используются, например, в МП типа Pentium, или Intel Core, она не загружает ценные ресурсы процессора для выяснения того, какие именно команды могут быть обработаны параллельно. При использовании технологии EPIC эти решения заблаговременно принимаются программными компиляторами, так что код поступает в процессор как бы уже отформатированным для параллельной обработки несколькими конвейерами. При этом компилятор не только освобождает процессор от решения этих задач, но и решает их быстрее, так что в процессе параллельной обработки выполняется больший объем работ.

Аналогичной EPIC является и VLIW – архитектура (Very Large Instruction Word), которая используется фирмой Transmeta при создании процессоров семейства Crusoe (линия ТМхххх).

Перечислим наиболее известные высокопроизводительные типы МП, имеющиеся на современном мировом рынке.

CISC – процессоры.

1. Архитектура Х86 (IA-32)

- компания Intel: Celeron D;

- компания AMD: линия Athlon XP;

2. Архитектура Х86-64

- компания Intel: линия Intel Core 2 ( Intel Core i3, i5, i7);

- компания AMD: линия Athlon II, а также процессоры Phenom II и бюджетные процессоры семейства Sempron;

RISC – процессоры

1.Архитектура Power PC

- компания Motorola: линия Power PC 970, Power PC G4, G5;

2.Архитектура PA (Precision Architecture)

- компания Hewlett-Packard: линия PA8000, PA8200, PA8500;

3.Архитектура Alpha

- компания DEC (Digital Equipment Corporation): линии Alpha 21164, 21164A, 21264;

4.Архитектура SPARC (Scalable Processor ARChitecture)

- компания SUN(SUN Microsystems): линия MicroSPARC, SuperSPARC, HiperSPARC, UltraSPARC, UltraSPARC T1.

5.Архитектура MIPS

- компания SG (Silicon Graphics): линия MIPS R-x (например, MIPS R10000).

6.Архитектура Crusoe(VLIW – архитектура)

- компания Transmeta: линия TM3120, TM5400, TM8000.

7.Архитектура IA-64

- компания Intel: линейка Itanium, Itanium 2.

Еще раз заметим, что ряд авторов относят МП линейки Itanium и МП семейства Crusoe к отдельному типу архитектуры процессоров на уровне команд – к EPIC архитектуре.

На рынке ЦП для настольных ПК уже в течение многих лет доминируют три изготовителя. Компании Intel и AMD выпускают процессоры для компьютеров Windows (платформа Windel), а Motorola – для компьютеров Macintosh Family. Однако 85% всех используемых в ПК МП относятся к архитектуре Х86, основы которой разработаны специалистами фирмы Intel. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать историю развития, структурные и функциональные принципы построения главным образом тех МП, которые принадлежат архитектуре Х86 и ее продолжениям, упоминая по ходу изложения особенности построения МП других архитектур.

Краткая история развития МП компании Intel.

1971 г.Фирма Intelвыпустила на рынок первый в мире 4-х разрядный МП

типа i4004.

Его основные характеристики были следующие: f = 108 КГц; максимально адресуемое ОЗУ = 640 байт; число используемых транзисторов N = 2300 транзисторов; 4-х разрядная шина данных; норма технологического процесса – 10 мкм. Этот микропроцессор широко использовался в качестве вычислительного ядра калькуляторов, а также в контроллерах периферийных устройств компьютеров. Через год появился его 8-разрядное продолжение –микропроцессор i8008, адресующий уже 16 Кбайт памяти.

Заметим, что под термином «норма технологического процесса» понимается разрешающая способность технологического процесса, используемого при изготовлении микросхем. Эта разрешающая способность определяет размер элементов интегральной схемы (обычно транзисторов), а также расстояние между соседними проводящими линиями, их соединяющими.

.

8 – разрядные МП

1974 г. характерен тем, что в этом году фирма Intel выдала на рынок новый, 8-ми разрядный МП i8080.

Его характеристики: f = 2 МГц; максимально адресуемое ОЗУ – 64 Кбайта; 8-ми разрядная шина данных; N = 6000 транзисторов; технология – 6 мкм.

Этот МП был весьма удачным и получил очень большое распространение. Его широко использовали в очень многих терминальных устройствах больших компьютеров того времени, и он явился тем процессором, на основе которого был разработан и выпущен на рынок в 1975 г. фирмой MITS первый в мире персональный компьютер Altair 8800. Аналоги (клоны) этого процессора производились и продавались по лицензии многими другими фирмами (например, МП под названием Z80фирмой Zilog, МП типа Motorola 680фирмой Motorolaи др.). Аналоги этого МП выпускались и у нас в Советском Союзе под названием МП 580ИК80 и КР580ВМ80.

16 –ти разрядные МП

1978 г. –фирмой Intel выпущен на рынок первый 16-ти разрядный МП типа i8086,а через год МП типа i8088,отличающийся от первого только тем, что внешняя шина данных была 8-ми разрядной. Во всем остальном МП i8088 ничем абсолютно не отличался от МП i8086. МП i8088 был выпущен исходя чисто из маркетинговых соображений, чтобы можно было использовать совместно с ним большое количество интерфейсных микросхем, разработанных к этому времени, для использования в 8-ми разрядных микропроцессорных системах на МП i8080 и их клонах. Этот микропроцессор стал родоначальником знаменитого семейства микропроцессоров i80X86 или просто iX86.

Характеристики первого МП этого семейства i8086/88 были следующие: f = 5; 8 и 10 МГц; максимально адресуемое ОЗУ = 1 Мбайт (20-ти разрядная внешняя адресная шина); N = 29000 транзисторов; технология – 3 мкм. Эти МП определили целую эпоху в развитии компьютерной техники. С этих МП началась история появления на рынке достаточно серьезных персональных компьютеров, сначала фирмы Apple Computer, а с 1981 года массового выпуска персональных компьютеров фирмой IBM, линий: IBM PC, IBM PC XT, а затем и IBM PC AT.

В это же время возник и принцип обратной программной совместимости: - старые программы должны работать на новых процессорах. Этот принцип соблюдался фирмой Intel во всех дальнейших разработках МП этого семейства, вплоть до последних вариантов процессоров типа Intel Core 2.

Выше было сказано, что по достаточно весомым соображениям мы ограничимся рассмотрением архитектур процессоров семейства Х86, являющихся основой большинства современных персональных компьютеров, а также многих комплектов для создания так называемых индустриальных компьютеров, т.е. мощных и производительных компьютеров, специально предназначенных для эксплуатации в производственных условиях.

Семейство процессоров Х86 фирмы Intel включает в себя 16 разрядные процессоры серий 8086/88, 80186, 80286, а также 32 разрядные МП серий 80386, i486 и Pentium различной разновидности (MMX, PRO, II, III, 4, D). Кроме того, многие характерные признаки этой архитектуры имеют процессоры новых микроархитектур Intel Core и Intel Core 2, а также микропроцессоры фирмы AMD – К5, К6, К7 (Athlon) и даже К10 (Phenom).

Все упомянутые процессоры Intel разрабатывались как логическое развитие некоторых общих архитектурных положений. Старшие модели МП этого семейства могут выполнять ассемблерные программы, разработанные для младших моделей, т.е. они программно совместимы снизу вверх. Кроме того, старшие модели могут эмулировать работу некоторых младших моделей (R- режим, V-режим, эмуляция МП 80286).

Исходной архитектурой процессоров этого семейства является архитектура МП 8086/88, которую мы достаточно подробно рассмотрели в прошлом году в курсе «Архитектура компьютера». Все более поздние модели этого семейства, начиная с МП 80286 до МП микроархитектуры Sandy Bridge, после включения начинают работу в R (Real) - режиме, т.е. по существу работают как быстродействующие процессоры 8086 с соответствующей ему регистровой архитектурой. И только затем операционной системой переводятся в защищенный режим работы (P – режим), со всеми особенностями и преимуществами работы в этом режиме.

Дальнейшее развитие процессоров семейства iХ86 было вызвано следующими естественными причинами.

I. Необходимостью постоянного увеличения производительности компьютеров.

Следствием этого явилось:

1) увеличение тактовой частоты (до 4 ГГц), за счет постоянного усовершенствования технологического процесса (разрешение до 22 нм, а также, использование новых технологий структуры транзисторов);

2) введение конвейерной, суперконвейерной и суперскалярной обработки команд (дошли до конвейеров с 31 ступенями обработки и до 5-6 исполнительных устройств в конвейере, как у последних моделей Pentium 4). Правда, в процессорах Intel Core число ступеней конвейера снизили до 14, а в процессорах микроархитектуры Intel Core 2 – до 16;

3) введение многоступенчатой кэш-памяти (так, у Pentium 4 Extreme Edition, Intel Core2, а также серверных процессоров Itanium используется до 3 уровней кэш-памяти: L1, L2, L3);

4) использование технологий Hyper-Threading, Turbo Boost, Quick Path Interconnect, принципа предсказания ветвлений, спекулятивного исполнения команд, реализации многоядерной архитектуры процессоров, и пр.