Магистральный ввод/вывод

Через общую шину могут обслуживаться одновременно только 2 устройства. Поэтому, в отличие от предыдущего случая, параллельное совмещение по времени выполнения программы в ЦП и ввод/вывод невозможно.

В каждый момент времени одно устройство является ведущим, а остальные являются ведомыми, за исключением ОП, которая всегда ведомая.

В общей шине выделяют 4 группы шин:

1. Шины данных

2. Шины управления

3. Адресные шины

4. Шины арбитража

Шины данных:

По шинам данных в параллельном коде данные пересылаются между ведущим и ведомым устройствами.

Шины управления предназначены для передачи управляющих сигналов.

Адресные шины:

При данном способе ввода/вывода существует единое адресное пространство для всех устройств. Следовательно, здесь не нужны специальные команды в/в, а достаточно команды move (команда пересылки), а адреса определяют между какими устройствами осуществляется передача. В этом заключается отличие от радиального в/в.

Шины арбитража(шина запроса на прерывание):

См. стековый механизм прерывания.

ВУ, готовое к приему или передаче 1-2 байт информации, выставляет сигнал прерывания на шину запроса. Запрос обрабатывается и в качестве программы обработки прерывания будет выступать программа в/в, под управлением которой 1-2 байта информации будут передаваться между двумя устройствами. Такой программно управляемый в/в характерен для медленных устройств. Для быстродействующих систем используют прямой доступ к памяти. Быстродействующие устройства подключаются к специальной шине запроса на прерывание, которая имеет наивысший приоритет. При поступлении запроса на шину прямого доступа к памяти общая шина освобождается для в/в. Однако программа, обрабатываемая в ЦП, с обработки не снимается, т.е. стековый механизм реализации прерывания в этом случае не работает.

Программно-управляемый ввод/вывод(для медленных ВУ)

ЦП

ЗПn

: ЗП1

:

РПn

ВУ

ВУ

РП1

ВУ как только готово принять или передать байт информации на шину запроса на прерывание, выставляет запрос на прерывание.

В стэк записываются основные параметры прерванной программы(вектор состояния). По адресу вектора прерывания, который выдаёт ВУ, выбираются основные параметры прерывания во вводу/выводу(адрес 1-ой выполняемой команды, порог прерывания) и помещаются на регистры ЦП. В ЦП начинает выполняться программа прерывания по вводу/выводу. Под управлением этой программы происходит ввод/вывод 1-2 байта информации (обмен между ВУ и ОП или ЦП). После этого программа обработки прерываний завершает свою работу. Из стэка восстанавливаются основные параметры прерванной программы(вектор состояний), и она продолжает выполняться далее. Когда ВУ вновь будет готово принять или передать 1-2 байта информации , то оно вновь выставляет запрос на прерывание и т.д.

Параллельно ввод/вывод и обработка программы в ЦП выполняться не могут.

Прямой доступ к памяти(для быстродействующих ВУ)

Программа в ЦП не прерывается(стэковый механизм прерывания не задействуется). Непосредственно ввод/вывод осуществляется под управлением контроллера по вводу/выводу. При этом ВУ подаёт запрос на специальную шину: запрос прямого доступа к памяти. Эта линия всегда имеет самый высокий приоритет. В контроллере есть регистр адреса начала массива , регистр длины массива. Как только длина массива = 0 передача заканчивается.

Радиальный ввод/вывод

В отличие от магистрального ввода/вывода имеется отдельное адресное пространство. Это значит ВУ может иметь один и тот же адрес, что и ячейка памяти, использующая команды в/в.

Микропроцессоры.

Выделяют два основных направления:

- однокристальные

- секционированные

Секционированные микропроцессоры:

на одном кристалле выполнен полностью микропроцессор (мп) на ограниченное кол-во разрядов ( например 4) Секции соединяются между собой , следовательно происходит наращивание разрядности мп до требуемого числа разрядов. Программирование ведется на микропрограммном уровне.

Однокристальные микропроцессоры:

весь процессор выполнен на одном кристалле. Программирование ведется на уровне машинных команд. На 1-ой ступени развития целиком мп не удавалось выполнить на одном кристалле, тогда мп был разделен «горизонтальными плоскостями» на несколько кристаллов.

Микропроцессоры серии INTEL.

м/п	Год выпуска	Частота МГц	Кол-во транзисторов тыс.шт	Разряд шины	Размер адресного пространства	Примечания
Intel 8086		5-10		Внутр внешн 16/16	1Мбайт	20 разрядов адресная шина
Intel 8088		5-8		16/8	1Мбайт	Используем в PC-XT
		10-16		16/16	16Мбайт	Шина адреса 24 разряда, исп в PC-AT
80386DX		20-33		32/32	4Гбайт	Шина адреса 32 разряда
80386SX		20-30		32/16	4Гбайт
80486DX		25-50		32/32	4Гбайт
80486DX2 DX4		До 133
80486SX		До 33		32/32	4Гбайт
Pentium		150-200	3.1 млн		4Гбайт
Pentium Pro		150-200	5.5 млн +15.5млн или 31млн		64Гбайт	5.5 млн на осн кристалле 15.5млн(КЭШ 256Кб) 31млн(КЭШ 500Кб)
Pentium MMX		166-266	4.5 млн.		64 Гбайт
Pentium 2		233-466	7 млн.		64 Гбайт
Celeron		266-300
Pentium III		500-1000	8.2 млн	----//----	----//----
Pentium IV Prescott		2-3 ГГц от 3 ГГц	55 млн 100 млн
Pentium M		1-2 ГГц	77-144 млн
Core Yonah		1-2 ГГц	155 млн
Core 2 Solo		1,6-3 ГГц

INTEL 8086,8088

Впервые идет совмещение обработки команд во времени.

Выделяются 2 устройства: операционное устройство (ОУ) и устройство шинного интерфейса (УШИ). УШИ предназначено для вычисления адресов и формирования запросов к памяти (ОП) к ВУ. В УШИ включён буфер команд емкостью 6 байт (очередь команд). Как только в буфере команд освободится 2 байта (внешняя шина данных и ширина выборки ОП 2 байта) УШИ формирует опережающий запрос в память за командами. ОУ выполняет команды, находящиеся в буфере команд. Если требуется обращение к памяти за операндами или по записи результата, то ОУ выставляет запрос к УШИ. Если УШИ свободно, то запрос выполняется сразу же, если УШИ занято выборкой команд, то после получения 2-х очередных байт обрабатывается запрос от ОУ. Т.о. выбор следующей команды начинается не по завершению предыдущей команды, а по наличию 2х свободных байт в буфере команд- принцип опережающей обработки. Снижение производительности происходит из-за появления команд перехода. При появлении команд перехода содержимое буфера обнуляется и буфер команд заполняется с команды, на которую осуществляется переход. Мультиплексированы шины данных и шины адреса.

МИКРОПРОЦЕССОР 8088

Внешняя шина данных 8 разрядов для совместимости с ранее разработанными ВУ. Для реализации плавающей точки в м/п 8086 и в 8088 для повышения производительности на материнской плате мог отдельно устанавливаться мп, аппаратно реализующий операции с плавающей точкой.

Тип операции	8087 Мкс	8086 и 8088 эмуляция мкс
+	17-18
*
√
Exp x

INTEL 80286

1.В отличие от 8086/8088 шина адреса и шина данных не мультиплексированы во времени ( своя ША и ШД)

2. Разработчики предусмотрели реальный и защищенный режим. В защищённом режиме имеется возможность использования мультипрограммирования.

3. Конвейерная обработка команд

Конвейерная обработка на уровне команд:

Каждый этап машинной команды обрабатывается на отдельном блоке. На 1-м такте 1-я команда подается на первый блок, то есть реализует 1-й этап(выборка команды из памяти). Во 2-м такте 1-я команда переходит на 2-й этап , а 2-я команда поступает на первый этап. В 3-ем такте, 1-я команда на 3 этапе, 2-я команда на 2-ом этапе, 3-я команда на 1-ом этапе. Т.е. конвейер команд аналогичен технологическому конвейеру. После заполнения конвейера каждый такт на конвейере заканчивает обрабатываться очередная команда. Поэтому говорят, что за первый такт выполняется 1 команда. Потеря производительности происходит в следствие команд перехода, когда содержимое конвейера обнуляется и в следствии информационных конфликтов

R1 + R2 R1

R3 + R1 R3

До тех пор пока результат для 1-й команды не будет записан в R1 вторая команда не может считывать операнды из R1 т.е. происходит блокирование конвейера. Для м/п INTEL 80286 число ступеней конвейера равно 4.

INTEL 80386 DX

Первый 32-х разрядный м/п. Уже в PC впервые поддерживается Windows. Работает как в реальном , так и в защищенном режиме. Поддерживается виртуальный режим м/п 8086 ( если параллельно запущенно несколько задач. то каждая задача обрабат. на м/п 8086

INTEL 80386 SX

Уменьшены внешние шины данных с 32 до 16 разрядов, было вызвано совместимостью с ВУ, которые работали с м/п 80286

INTEL 80486 DX

1. Впервые сопроцессор с плавающей точкой был встроен в кристалл м/п. В предыдущих моделях сопроцессор с плавающей точкой реализован на отдельном кристалле. Сопроцессор стал работать на тактовой частоте основного процессора и произошло увеличение производительности в 2 раза.
2. Внутрь самого кристалла был встроен КЭШ 1-го уровня, его емкость 8 Кбайт. КЭШ 2-го уровня располагалась отдельно на материнской плате и его объем 256Кбайт и 512Кбайт. Впервые КЭШ на материнской плате стал использоваться совместно с 80386 микропроцессором.
3. Был усовершенствован механизм обработки команд, используется 5-ти ступенчатый конвейер, в среднем обеспечивается обработка 1-й команды за 1 такт.

DX2 – удвоение тактовой частоты

DX4 – утроение тактовой частоты

PENTIUM

1. Впервые появился отдельно КЭШ команд и КЭШ данных, каждый по 8Кбайт.
2. Впервые появляется суперскалярная обработка команд. В структуре имеется 2 АЛУ, которые параллельно обрабатывают независимые команды.
3. Впервые аппаратно реализован блок предсказания переходов.
4. Операции с плавающей точкой обрабатываются в конвейерном режиме.

PENTIUM PRO

1. В кристалле встроен КЭШ 1-го уровня на 16 Кбайт и КЭШ 2-го уровня либо на 256Кбайт либо на 512Кбайт. КЭШ 2-го уровня работает на тактовой частоте самого м/п, т.к встроена в кристалл.

2. В следующей модели фирма Intel отказалась от встроенного КЭШ 2-го уровня в кристалле, т.к. увеличился процент брака.

3. В Pentium Pro используют 14-ступенчатый конвейер.

4. В Pentium Pro (c него начинается серия Р6) используется конвейер с изменяемой последовательностью команд. Зависимая команда, поступающая на вход конвейера , не сдерживает выполнение следующей за ней независимой команды в окне просмотра. В предыдущих моделях зависимая команда блокировала выполнение всех следующих за ней команд.

PENTIUM MMX

Структура соответствует Pentium, однако увеличен КЭШ 1-го уровня до 32Кбайт (16 КЭШ команд +16 КЭШ данных)

Добавлено 57 новых команд для обработки видео изображения.

PENTIUM 2

Это есть Pentium Pro + Pentium MMX. Однако КЭШ 2-го уровня вынесен из кристалла и помещен на подложку в одном корпусе с основным кристаллом, работал на 0.5 тактовой частоте.

CELERON

Из подложки удален КЭШ 2-го уровня. Резко падает производительность системы. Начиная с модели 300А и выше, встраивается КЭШ внутрь кристалла на 128 Кбайт, который работает на частоте ЦП.

PENTIUM III

Структура Pentium 2 , добавлены команды для обработки видео изображения.

PENTIUM 4

В последующих моделях Pentium III КЭШ встраивается в кристалл на 256 Кбайт. Все Pentium 4 : КЭШ в кристалле.

1. КЭШ 1-го уровня включает в младших моделях 8Кбайт данных, 12 Кбайт КЭШ, которая хранит микрокоманды. КЭШ 2-го уровня встроен в кристалл
2. Число ступеней конвейера 20.(гиперконвейерная обработка) В КЭШ 1-го уровня поступают декодированные команды( хранится в КЭШ 1-го уровня микропрограмма), и за 1 такт декодирует одновременно 3 команды. В КЭШ хранится несколько цепочек микрокоманд. Если направление перехода выбрано не верно, происходит обращение в КЭШ 1-го уровня и выбирается другая цепочка микрокоманд.
3. Память расширена до 16 Кбайт( в последних моделях)
4. Существует 2 параллельно работающих АЛУ. С 2002г. Pentium 4 оснащается специально BIOS, который поддерживает гипертрейдинг: т.к. число блоков конвейера велико, то одновременно часть блоков может простаивать. Потому эти свободные блоки загружаются другой задачей.

PRESCOTT

31 ступень конвейера (гиперконвейрная обработка). КЭШ в кристалле увеличена до 1 Мб. КЭШ 3-го уровня 2Мб помещен на материнскую плату. Появляется новая обработка – гипертрейдинг. Чтобы заполнить 20-30 ступеней в КЭШ 1-го уровня находятся трассы микропрограмм. Гипертрейдинг – это псевдомультипрограммный режим, т.е на свободные блоки конвейера запускают вторую задачу, т.е одновременно обрабатываются 2 задачи.

PENTIUM D

На одной подложке (кристалле) помещены 2 ядра Prescott (каждый со своим КЭШ), отключив гипертрейдинг.

PENTIUM M

КЭШ 1-го уровня увеличена до 64 Кб. (архитектура P6 (продолжение Pentium III) 32Кб команд, 32Кб данных. КЭШ 2-го уровня 1-2Мб встроен в кристалл. Количество обрабатываемых блоков 9 штук)

CORE 2

КЭШ 1-го уровня увеличен до 2-4 Мб. КЭШ команд 32 Мб, КЭШ данных 32 Кб. Добавляется четвертый простой декодер. Число обрабатываемых блоков 11 штук : АЛУ с фиксированной точкой 3 штуки по 64 разряда, 2 шт. АЛУ с плавающей точкой 128р. Команды видеорежима 3 блока 128р. 3 блока обращения к памяти. Intel впервые в Core и Core 2 для двуядерных процессоров использовал общую КЭШ 2-го уровня. В Core 2 имеется связь между отдельными ядрами.

Системные интерфейсы

1. м/п 8086, 80286

тактовая частота 5-10, 10-16МГц

Проблемы которые решаются системным интерфейсами: связь ОП и ЦП, связь ядра с ВУ.

тактовая частота 5-8 Мгц

пропускная способность 5-10 Мбайт/сек

2. м/п 80386, 30 Мбайт/сек

На материнской плате появляются новые архитектурные решения: Появляется КЭШ, чтобы как можно реже обращаться к ОП. Стали использовать несколько структур решений:

1. Использование локальной шины

2 MCA, 16,32p, = 14 Мбайт/сек

использование в системах PS2 , прекращ. существование

3 EISA, 32p, 33 Мбайт/сек

- расширенная шина ISA, прекращ. существование

3. м/п 80486

тактовая частота 33 Мгц

пропускная способность 130 Мбайт/сек

4. Pentium

PCI: 32разряда

133 Мбайт/сек

33 МГц

5. Pentium MMX: поддержка 3-х мерной графики

AGP: 133 МГц

633 Мбайт/сек

6. Pentium II

Системная шина 528-800 Мбайт/сек, 66-110 МГц, AGP - 500 Мбайт/сек

7. Pentium 4