Микропроцессоры


Сдавался/использовался	1. МЭСИ, преп. Пятибратов А.П., "отлично", 1994
	Загрузить архив:
	Файл: 240-1620.zip (18kb [zip], Скачиваний: 62) скачать

- 1 -

КУРСОВАЯ РАБОТА.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА16-ТИ И32-Х РАЗРЯДНЫХ

МИКРОПРОЦЕССОРОВ.

Микропроцессор.

Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является мик-

ропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема,

выполняющая все вычисления и обработку информации. МП умеет произво-

дить сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько

десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах

типа IBM PC используются МП фирмы INTEL, а также совместимые с ними

МП других фирм.

Каждый МП имеет определенное число элементов памяти, называемых

регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управ-

ления (УУ). Регистры используются для временного хранения выполняемой

команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней

информации (инф.) МП.

В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных.

УУ реализует временную диаграмму и вырабатывает необходимые управляю-

щие сигналы для внутренней работы МП и связи его с другой аппаратурой

через внешние шины МП.

Структуры различных типовМП могутсущественноразличаться,

однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами явля-

ются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины дан-

ных, 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.

МП 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 котором

одновременно с выполнением текущей задачи (команды) производятся

дополнительная 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 несколько 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-разряд-

ную шину, адресующую 64 Кбайта памяти. В 16-разрядных МП, как правило,

- 2 -

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 выработкикоманд иобменаданными с памятью МП имеют шину

данных, разрядность которой,как правило,совпадает сразрядностью

внутренней шины данных, определяемой архитектурой МП. однако для упро-

щения связи с внешней аппаратурой внешняя шина данных может иметь раз-

рядность меньшую, чем внутренняя шина данных и регистры данных. Напри-

мер, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой имеют 8-разрядную внеш-

нюю шину данных.Они представляют собой специальные модификации обыч-

ных 16-разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощью.

Одним из важных параметров МП является быстродействие, определяе-

мое тактовой частотой его работы,котораяобычно задаетсявнешними

синхросигналами. Для разных МП эта частота имеет пределы 0,4...33 МГц.

Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из ре-

гистров или пересылка операндов в регистрах МП) минимально двух пери-

одов тактовых импульсов ( для выборки команды и ее выполнения). Более

сложные командытребуют для выполнения до 10-20 периодов тактовых им-

пульсов. Если операнды находятся не в регистрах,а в памяти, дополни-

тельное время расходуется на выборки операндов в регистры и записи ре-

зультата в память.

Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но

и набором его команд , их гибкостью, развитой системой прерываний.

Электронная память. Содержит операнды и программу, которую выпол-

няет МП. Обычно имеются слова, соответствующие разрядности шины данных

МП, которые адресуются адресным пространствам МП. Используются два ти-

па эл. памяти: постоянно запоминающие устройства (ПЗУ) и оперативные

запоминающие устройства (ОЗУ).

В ПЗУ хранится инф.,которую ЭВМ может использовать сразупосле

выключения питания.Она включает программы инициализации программно-

управляемых периферийных микросхем, программы ядра ОС и в некоторых

приложениях интерпритаторкакого-либо диалогового языка программиро-

вания или наиболее часто используемые прикладные программы.

Для реализации ПЗУ часто применяют микросхемы с прожигаемыми пере-

мычками К556РТ5 (512 байт), К556РТ7 (2 Кбайта), К573РФ4 (8 Кбайт).

В современных ЭВМ емкость ПЗУ достигает сотен Кбайт.

ПЗУ является энергозависимой памятью:после выключенияпитания

инф. в нем сохраняется. Инф. в ОЗУ разрушается при выключении питания.

В ОЗУ хранятся оперативные данные и программ, используемые МП. Поэтому

микросхемы ОЗУпо быстродействию должны быть согласованы с МП,а ем-

кость ОЗУ (вместе с ПЗУ) должна приближаться к приделу, определяемому

адресным пространством МП.

Бывают ОЗУ статистические и динамические.Стат. ОЗУ легко сопря-

гаются с шинами МП, но имеют меньшую емкость по сравнению с динамичес-

- 3 -

кими. В качестве стат.ОЗУ часто используются микросхемысерииК537

емкостью до 64 Кбайт.

Для сопряжения динам.ОЗУ с МП требуется специальный контроллер,

но они обладают большей емкостью по сравнению со статическими. Напри-

мер, микросхемы серии К565 имеют емкость до 256 Кбайт.

Схемы ввода-вывода.

Взаимодействие с оператором через клавиатуру,дисплей и печатающие уст-

ройства, записьисполняемыхпрограмм из ВЗУ в ОЗУ осуществляют через

порты (многоразрядные шины) ввода-вывода. Для управления ВУ разработан

ряд микросхем,которые выполняют функции контроллеров ПУ: клавиатуры,

дисплея, НГМД и др.

Связь контроллерамиПУ обычноосуществляетсячерез порты вво-

да-вывода под непосредственным управлением МП. Однако в некоторых ЭВМ

используется специальныйконтроллерпрямого доступа к памяти (ПДП),

который осуществляет непосредственный обмен инф. Между ОЗУ иПУбез

учета МП.Связь ЭВМ с ПУ производится через стандартизованные интер-

фейсы ПУ.

┌---------------------------------------------------┐

┌────────────────────────────────────────┐

└────────────────────────────────────────┘

┌─────┐ ┌───────┐┌─────┐ ┌─────┐

└─────┘ └───────┘└─────┘ └─────┘

Рис.1. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МП.

РОН - регистры общего назначения

РСН - регистры служебного назначения

БСВШ - блок сопряжения МП с внешними шинами

ХАРАКТЕРИСТИКИ МП.

МП отличаются друг от друга двумяхарактеристиками:типом (мо-

делью) и тактовой частотой. Наиболее распространены модели INTEL-8088,

80286, 80386sx,80386,80486 и PENTIUM, они приведены в порядке воз-

растания производительностии цены.Одинаковые модели МП могут иметь

разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше произво-

дительность и цена МП.

ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА указывает, сколько элементарных операций (тактов)

МП выполняет в 1 секунду.Тактовая частота измеряется в Мгц.Следует

заметить, что разные модели МП выполняют одни и теже операции (напри-

мер, сложениеиумножение) за разное число тактов.Чем выше модель,

тем, как правило,меньше тактов требуется для выполнения одних итех

- 4 -

же операций. Поэтому, например, МП INTEL-80386 работает раза в 2 быст-

рее INTEL-80286 с такой же тактовой частотой.

МОДЕЛИ МП.

Исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC XTиспользуют

МП INTEL-8088.В начале 80-х годов эти МП выпускались с тактовой час-

тотой 4,77 МГц,сейчас они выпускаются с тактовой частотой 8или10

МГц (т.е.новые модели работают в 1,7-2,1 раза быстрее). Модели с

увеличенной производительностью (тактовой частотой) иногда называются

TURBO-XT.

Модель IBM PC XT использует более мощный МП INTEL-80286, и ее произво-

дительность в 4-5 раз,больше, чем у IBM PC XT. Исходные варианты IBM

PC AT работали на Мп с тактовой частотой 6 МГц, сейчас большинство вы-

пускаемых компьютеровэтоготипа имеет тактовую частоту от 16 до 25

МГц, т.е.они работают в 2-3 раза быстрее.МП INTEL-80286 имеет нес-

колько больше возможностей по сравнению с INTEL-8088, он эти дополни-

тельные возможности используютсяоченьредко, такчтобольшинство

программ, работающих на AT, будет работать и на XT.

В 1988-1991 гг.большая часть выпускаемых компьютеров была осно-

вана надостаточно мощном МП INTEL-80386.Этот МП (называемый также

80386DX) работает в 2 раза быстрее, чем работал бы 80286 с той же так-

товой частотой.Диапозонтактовой частоты 80386DX- от 25 до 40 МГц.

Кроме того, 80386 имеет значительно больше возможностей по сравнению с

INTEL-8088,в частности содержит мощные средства для управления памятью

и команды для 32-разрядных операций (в отличие от 16-разрядных 80286 и

8088).Поэтому многие производители программного обеспечения разрабаты-

вают программы специально для INTEL-80386SX.Фирмой INTELразработан

также МП INTEL-80386SX, он ненамного дороже INTEL-80286SX, но обладает

теми же возможностями, что и INTEL-80386, только при более низком быс-

тродействии (приблизительно в 1,5-2 раза).

Получивший впоследнее времяширокоераспространениеМПIN-

TEL-80486 (или 80486DX) мало отличается от INTEL-80386,но его произво-

дительность в 2-3 раза выше. Среди его особенностей следует отметить

встроенную кеш-память и встроенный математический сопроцессор. Фирмой

INTEL также разработаны более дешевый,но менее производительный ва-

риант - 80486SX и более дорогой и более быстрый вариант - 80486DX.

Тактовая частота 80486 обычно находится в диапазоне 33-66 МГц.

В 1993 г. фирмой INTEL был выпущен новый МП PENTIUM (ранее анан-

сировавшийся под названием 80586).Этот МП еще болеемощен, особенно

при вычислениях над вещественными числами.

Фирмой INTEL(США) в развитии МП 8086 и 8088 (отечественные ана-

логи К18110ВМ86и К1810ВМ88) разработаны высокопроизводительные

16-разрядные Мп 80186, 80286 и 32-разрядные МП 80386, 80386SX, 80486.

- 5 -

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП СЕРИИ 8086-80486

__________________________________________________________________

характеристика ! 8086 ! 80286,! 80386, ! 80486 !

______________________________!_8088___!80286Sx!80386SX_!_________!

Разрядность:

АЛУ 16,16 16,16 32,32 32

шины данных 16,8 16,8 32,16 32

адреса 20,20 24,24 32,32 32

Адресное пространство ОЗУ, 1 16 4096 4096

Мбайт

число команд 135 145 188 196

кэш-память, Кбайт- - - 8

Сопроцессор:

автономный 8087 80287 80387, -

80387SX

встроенный - - - 80387

Тактовая частота, МГц 4-12 6-16 12-33 20-33

Корпус микросхемы:

число рядов 2 4 4 4

число контактов40 68 132 168

__________________________________________________________________

Рассмотрим, как пример МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОМПЛЕКТ 80286.

Он включает следующие микросхемы:

80286 - однокристальный 16-разрядный МП;

80287 - однокристальный 80-разрядный математический сопроцессор;

82284 - генератор тактовых сигналов;

82288 - системный контроллер;

82289 - арбитр магистрали.

МП 80286 в6 раз более производительнее МП 8086.Аппаратура МП

обеспечивает гибкую и эффективную защиту памяти, контролируемый доступ

к ресурсамОС, изоляциюиндивидуальныхприкладных программ друг от

друга и малое время реакций на прерывания.

В 80286 используетсяконвейерныйпринцип выполнения команд с че-

тырьмя уровнями конвейеризации,реализованными вчетырех раздельных

логических устройствах: интерфейса шины, адресов команд и исполнитель-

ном устройстве.Эти устройства работают одновременно: циклы обращения

к памяти, вечисления адресов и контроля защиты, декодирования и выпол-

нения команд могут совмещаться.

- 6 -

-------------------------- ----------------------------

_________ __________ _________

_________ __________ _________ __________

_________ __________ _________ ________

__________ __________ ________

__________ __________

-------------------------- ----------------------------

___________ ___________________

___________ ___________

________ ________ ___________________

________ ________ ___________

_____________________

-------------------------- ----------------------------

Рис. 2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА 16-РАЗРЯДНОГО МП.

Интерфейс шины передает байт инф.по каждому циклу тактовой час-

тоты из своей очереди в устройство команд, которое декодирует и преоб-

разует формат полных данных и помещает их в очередь команд, ожидающих

выполнения .

Исполнительное устройтсво содержит рабочие регистры, АЛУ и мик-

ропрограммное ПЗУ, которое определяет последовательность внутренних

микрокоманд. Когда текущая команда близка к завершению, ПЗУ генерирует

сигнал, по которому исполнительное устройство принимает следующийад-

рес ПЗУ из очереди команд, что обеспечивает непрерывность его работы.

Многоуровневый механизм защитыпамяти МПисключительногибок:

можно использоватьдва,три или четыре уровня защиты для системных

программ, обеспечивая качество защиты для системных программ,обеспе-

чивающих качество защиты команд, необходимое для любой конкретной ЭВМ.

Резервируя один уровень привилегированности для расширений ОС,можно

специализировать функции ЭВМ, не затрагивая первоначального ПО.

Основным механизмом защиты предусматривается предоставлениекаж-

дой задачеуправляемого доступа к двум областям виртуальной памяти -

одной общей и одной частной - в соответствии с содержимым глобальной и

локальной дескрипторных таблиц:

в глобальном перечисляются сегменты,к которым могут обращаться

все системные задачи,с учетом ограничений только по уровням привиле-

гированности;

в локальной перечисляются сегменты которые предоставляются только

одной задачи, поскольку в каждую задачу подобная таблицавходиткак

часть описанияеесостояния, типичная ЭВМ будет содержать много ло-

- 7 -

кальных дескрипторных таблиц. Регистр-указатель этой таблицы автомати-

чески загружаетсянаряду с другими регистрами при переключении на

данную задачу.

Дескриптор длякаждого сегмента содержит базовый адрес, размер

сегмента и поле прав доступа.Это поле определяет режим использования

инф. данного сегмента.

Регистр признаков 80286 имеет дополнительный признаквложенности

и двухразрядныйпризнак уровня привилегированности операций ввода-вы-

вода.

Устройство адресов производит преобразование адресов и одновремен-

но контролирует права доступа; содержит кэш-память (хранит базовый ад-

рес, предельное граничное значение и права доступа для всех сегментов

вертуальной памяти, выбранных в данный момент для использования выпол-

няющейся задачей).Наличие кэш-памяти сводит к минимуму необходимость

в считывании указанной информации из основной памяти и позволяетуст-

ройству адресов выполнять свою функцию за один цикл тактовой частоты.

Параллельная работа четырех внутренних устройств дает возможность

80286 осуществлять управление виртуальной памятью и обеспечивать защи-

ту всей памяти без снижения производительности.

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, Мбайт/с........12,5

Число контактов четырехразрядного корпуса...68

В 80286 предусмотрены 4 иерархических уровня защиты памяти,реа-

лизованных аппаратно, что повышает общую производительность ПЭВМ и не

требует дополнительных программных затрат на выполнение функций защиты.

Ядро ОС работает на самом высоком уровне и выполняет такие наибо-

лее ответственные функции,как распределение памяти, планирование за-

дач и координацию взаимодействия между задачами.Небольшое по размеру

ядро ОС хорошо использует быстродействие процессора, и его можно расс-

матривать ка расширение физического процессора.

Следующим после уровня ядра ОС идет уровень супервизора, управля-

ющего ресурсами ввода-вывода,распределением буферов данных, глобаль-

ным планированием заданий. Программы супервизора имеют больший размер,

чем программы на уровне ядра.

На 3 уровне привилегированности располагаются служебно-приклад-

ные программы.Сюда относятся системы управления файлами,процессоры

языка управлениязаданиямии вспомогательные утилиты для прикладных

- 8 -

программ.

Наименее надежныепрограммы, например неапробированные программы

пользователя, работают на 4 уровне,самом низком уровне привилегиро-

ванности.

В 80286 имеются 17 регистров. Восемь предназначены для выполнения

арифметических вычислений и формирования адресов,и смещений, и обес-

печивают программную совместимость с 80286.

Четыре сегментныхрегистра определяют 4 сегмента области вирту-

альных адресов,предоставляемых выполняющейсязадаче. Это регистры

сегментов кода,данных, дополнительного сегмента и стека. Если в 8086

сегментные регистры являлись 16-разрядными, то в 80286 их длина увели-

чена до 64 разрядов,причем каждый из регистров содержит 16-разрядный

сектор и 48-разрядный дескриптор.Задача использует 4 аппаратных сегме-

нтных регистра и может иметь доступ максимум к 16 К сегментам. Эти ап-

паратные регистры перезагружаются каждый раз,когда поступаетзапрос

на новый сегмент, причем это делается прозрачно для программиста.

Использование в команда виртуальных адресов дает каждомупользо-

вателю возможность доступа к виртуальной памяти емкостью 1 Гбайт. Сег-

мент в 80286 - это часть диапазона виртуальных адресов, длина которой

может менятьсяот1 байта до 64 Кбайт.Средства работы с сегментами

переменного размера обеспечивают более эффективное выполнениекоманд

операций подкачки.

Виртуальный адрес состоит из селектора и смещения. Селектор - это

индекс-расстояние отбазового адреса дескрипторной таблицы до нужного

элемента-дескриптора в этой таблице. Смещение - это расстояние до нуж-

ного байтаданных в указанном сегменте.Набор команд 80286 является

расширением расширением команд 8086 и обеспечивает программную совмес-

тимость с ним.

Он включает все виды команд 8086 и 80186 и дополнительные команды

для работысо средствами управления памятью. Команды 80286 упрощают

реализацию сложных ПЭВМ, разрабатываемых на современных языках высоко-

го уровня.

Новые команды упрощают выполнение стековых операций, вычисление и

контроль индексовдинамических массивов,а также выполнение приказов

входа и выхода из процедур в структурированных языках высокого уровня.

При помощи привилегированных команд,которые могут выполняться только

на высшем по приоритету уровне,т.е.в ядре ОС, можно устанавливать

или изменять параметры памяти для системы.

ВЫСОКОПРИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ МАТЕМАТИЧЕСКИЙ СОПРОЦЕССОР 80287:

Обрабатывает 32-,64- и 80-разрядные операнды с плавающей точкой, 32-

и 64-разрядные данные с фиксированной точкой и 18-разрядные двоично-

десятичные числа.Он подключается к 80286 и использует ресурсы, подклю-

ченные к локальной шине данных.Как и 80286,сопроцессор может рабо-

тать в режиме реальной адресации или защищенном режиме. На уровне объ-

- 9 -

ективных кодов 80287 совместимом с 8087 (аналог К1810ВМ87), имеет ана-

логичную структуру,размещен в таком же 40-контактном корпусе, но об-

ладает большей производительностью.

Другой пример, МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ НАБОР 80386 32-разрядный МП.

Включает следующие микоросхемы:

80386 - быстродействующий 32-разрядный МП с 32-разрядной внешней

шиной;

80387 - быстродействующий математический сопроцессор;

82384 - генератор тактовых сигналов;

82358 - арбитр магистрали....

МП 80386 оптимизирован для многозначных ОС и прикладных задач,для

которых необходимо высокое быстродействие.Главной его особенностью яв-

ляется аппаратнаяреализация так называемой многосистемной програмной

среды, обеспечивающей возможность совместной работы разнородныхпрог-

рамм пользователей,ориентированных на разные ОС (UNIX, MS DOS, APS 86).

МП 80386 обеспечивает программную совместимость снизу вверх по отноше-

нию к 16-разрядным МП 8086, 80186 и 80286.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП 80386

Тактовая частота, МГц.................16, 20, 25, 33

Адресное пространство памяти:

физическое, Гбайт......................4

виртуальное, Тбайт.....................64

Число уровней защиты....................4

Пропускная способность шины, Мбайт/с....32

Число контактов корпуса с матричным

разложением выводов.....................132

Архитектура совстроенными устройствами управления памятью и за-

щиты включает трансляцию адреса, регистры аппаратуру для многозадачных

режимов и механизма защиты, которые обеспечивают работу различных ОС.

---------------- ----------------- ----------------

____________ ___________________________

____________

---------------- ----------------- ----------------

---------------- ----------------

____________ ____________

____________ ----------------- ____________

____________ _____________

---------------- ----------------- ---------------

РИС. 3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА 32-РАЗРЯДНОГО МП.

Примечание: основана на структуре МП 80386.

- 10 -

МП 80386 содержит 6 блоков, обеспечивающих управление выполнением

команд, сопряжениес шинами,декодирование и упреждающую выборку ко-

манд. 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 программы производится де-

кодирование второй,атретья выбираетсяиз памяти.Дополнительным

средством повышения производительности служит специальный блок быст-

рого умножения (деления).УУП содержит блок сегментации и блок странич-

ной организации. Сегментация позволяет управлять логическим адресным

пространством, обеспечиваяпереместимость программ и данных,и эффек-

тивное разделение памяти между задачами. Страничный механизм работает

на более низком уровне и прозрачен для сегментации, позволя упарвлять

физичиским адресным пространством. Каждый сегмент разделяется на одну

или несколько страниц размером 4 Кбайта.

Память организована в виде одного или нескольких сегментов пере-

менной длины. Максимальная длина сегмента 4 Гбайта. Каждая область ад-

ресного пространства может иметь связанные с ней атрибуты,определяю-

щие ее расположение, размер, тип (стек, программа или данные) и харак-

теристики защиты.

Устройство сегментации обеспечивает 4-х уровневую защиту для изо-

ляции прикладных задач и ОС друг от друга.

МП 80386 имеет 2 режима работы:реальной адресации и виртуальной

адресации с защитой. В реальном режиме 80386 работает как быстрый 8086

(при необходимости с 32-разрядными данными). РЕАЛЬНЫЙ РЕЖИМ необходим

для установки процессора после сброса перед переходом в режим сзащи-

той. Режимс защитой обеспечивает доступ к сложной системе управления

памятью, страничной адресации и системе привилегий в процессоре.

Внутри режимас защитой программа может осуществить переключение

задач для того,чтобы войти в задачи, отмечаемые как задачи виртуаль-

ного режима8086. Каждаятакаязадача позволяет исполняться любым

программам 8086 (прикладной или целой ОС). Виртуальные задачи 8086 мо-

гут бытьизолированы и защищены друг от друга и от главной ОС при по-

мощи страничной адресации и эмуляции команд ввода-вывода.

В 80386 имеются 32 регистра, разделяемых на следующие группы:

общего назначения; сегментные; указатель команд и флаги;

управления.

Шесть программнодоступныхрегистров отладки реализуют поддержку

процесса отладки программ: четыре указывают четыре точки останова, уп-

равляющий используется для установки конторльныхточек,а статусный

показывает текущее состояние точек останова. Эти регистры обеспечивают

задание контрольных точек останова по командам и данным, а также поша-

говый режим выполнения программы.

СИСТЕМА КОМАНД МП 80386 подразделяется на следующие классы опера-

- 11 -

ций; пересылку данных;арифметику;сдвиг (циклический сдвиг); работу

со строками; работу с битами;передачу управления;поддержку языков

высокого уровня;поддержку ОС; управление процессором. Она содержит на-

бор команд 80286 и дополнительные команды.

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ НАБОР 80486.

Включает следующие микросхемы:

80486 - быстродействующий 32-разрядный МП;

82596СА - 32-разрядный сопроцессор LAN;

82320 - контроллер магистрали Micro Chanel (MCA);

82350 - контроллер магистрали EISA;

82С508 - микросхема программируемой логики,минимизирующая объем

оборудования основной платы.

МП 80486 используетCISC-архитектуру и обеспечивает программную

совместимость с 80386, в 2-4 раза более производительнее 80386 вследс-

твии частичного применения RISC-архитектуры и внутренней 128-разрядной

шины данных,внутреннего ОЗУ емкостью 8 Кбайт, реализации функций ма-

тематического сопроцессора 80387, контроллера кэш-памяти 82385. Систе-

ма команд содержит набор команд 80386 и дополнительные команды.

МП содержит более 1 млн.транзисторов, имеет тактовую частоту 25

или 33 МГц и размещен в 186-выводном корпусе с матричным расположением

выводов. ВМП используются раздельные 32-разрядные шины адреса и дан-

ных, обеспечивающие в монопольном режиме скорость передачиданных до

106 Мбайт/с (при тактовой частоте 33 МГц).

Сопроцессор 82596 оптимизирован для выполнения функций файл-серве-

ра, построенияодно-и многопользовательских рабочих станций и ми-

ни-компьютера. Сопроцессор использует при передаче данных 32-разрядные

шины исигналы, что позволяет упростить сопряжение с арифметическими

сопроцессорами и системной магистралью.

Фирма INTELпервой выпустила 16-битные МП.МП 8086 представляет

собой значительно усовершенствованный вариант МП 8086/8085,а МП8088

почти аналогичен 8086, но его внешняя шина данных имеет 8 бит.

Фирма INTEL лидирует на рынке 26-битных МП,МП 8086/8088 домини-

руют в конторских компьютерах,они применялись ,например, в первых

моделях IBM BC (8088), ACT SIRIUS (8088), DEC RAINBOW (8088),

APRICOT (8086). В последующихмоделях IBM PC ( и и в много численных

"колоннах") используются более мощные МП 80186, 80286, 80386. Основные

преимущества 16-битныхМПфирмы INTELи других фирм по сравнению с

8-битными заключается в следующем:

а) более быстрое выполнение команд;

б) расширенная система команд(например, имеются команды умножения

и деления);

в) увеличенный объем памяти ( обычно 1 Мбайт и более) посравне-

нию с 64 К байтами;

- 12 -

г) расширенный диапозон целых чисел ( от 0 до 64К вместо от 0до

255);

д) большее число режимов адресации,что упрощает программы и по-

вышает их эффективность;

е) применениесопроцессоров,помогающих ЦПбыстреевыполнять

программы.

После хорошо зарекомендовавших себя 16-битных МПвначале 80-х

годов стал неизбежен переход к 32-битным устройствам, которые обладают

следующими преимуществами:

- позволяют обрабатывать32-битные данные с большим диапазоном це-

лых чисел;

- обладают большем диапазоном адресации памяти, обычно 4 Гбайта;

имеют более высокую скорость работы с частотой синхронизации

16 МГц и выше;

- характеризуются дополнительным набором команд и режимов адресации

с обеспечение совместимости вверх с их предшественниками;

- имеют внутренние средства управления памятью и внутреннюю кэш-па-

мять для команд, в которой хранятся наиболее часто используемые

команды и данные;

- обеспечивают увеличениепроизводительностив2-3 раза на стан-

дартных бенчмарк-программах.

Фирмы производители 32-битных МП утверждают,что по вычислитель-

ной мощности эти приборы соперничают с традиционными миникомпьютерами,

например машинамиVAXфирмы DEK.Хотяэто утверждение не является

бесспорным(в части быстродействия по командам, с учетом быстродействия

сопроцессора и поддержки сложной операционной системы), все же 32-бит-

ные МП широко применяются в инженерныхрабочихстанциях, вобласти

распознавания речи,в роботах,для автоматизации учрежденческой дея-

тельности и в больших много пользовательских и мультиплексорных систе-

мах.

Наибольшее распространение получили МП 80386 фирмы INTEL, MC68020

фирмы ZILOG и транспьютер Т424 фирмы INMOS. Если первые три процессора

представляют собой естественную эволюцию своих 16-битных предшествен-

ников и имеют обычную архитектуру, то в транспьютере реализован совер-

шенно новый подход к архитектуремашины.По существу,онявляется

RISC-процессором (компьютерсо сокращенной системой команд) в отличие

от CISC-процессора (компьютер со сложной системой команд).

Транспьютер спроектировандля работы в мультиплексорной конфигу-

рации, т.е.несколько транспьютеров параллельно выполняют однупрог-

раммную задачу. Разработка RISC-процессора является попыткой отойти от

эволюционного развития ЦП с постепенным усложнениемсистемыкоманд.

Несколько исследовательскихорганизацийи университетовпопытались

разработать ЦП с намного меньшим числом команд,что обеспечивает зна-

- 13 -

чительное повышение его производительности.

Важнейшие особенности " чистого " RISC-процессоразаключаютсяв

однотактной работе (многочисленные обращения к памяти не предусмат-

риваются) и аппаратномуправлении(выполнение командопираетсяна

быстро действующие схемы, а не на микрокод в отличие от обычных МП , в

которых применяется медлительное управление через табличныймикрокод,

определяющий операции ЦПв каждойкоманде).Промышленный выпуск

32-битных RISC-процессоров пока освоили только фирмы INMOS(транспь-

ютер) и ACORN (ARM - ACORN Mashine).Не исключено, что в архитектурах

будущих компьютеров будет преобладать данный подход для обеспечения их

более высокой производительности.

В 32-битныхпроцессорах 80386,МС8020и Z80000используются

кэш-память для команд и управление памятью,о которой необходимо ска-

зать несколько слов.Очень быстрая кэш-память встроена в сам ЦП,

либо помещаетсямежду основной памятью.Большая основная память всегда

реализуется на микросхемах динамических ЗУПВ,которые хотяи дешев-

ле,но менее быстродействующие по сравнению со статическими ЗУПВ. Если

наиболее часто адресуемые команды и данные хранить в быстродействую-

щей кэш-памятина микросхемах статических ЗУПВ,то можно ускорить

выполнение программы.

В большинствепрограмм наблюдается тенденция обращений к одним и

тем же адресам памяти.В кэш-памяти хранится содержимое этихадресов

вместе с самими адресами.Когда при выполнении программы потребуется

содержимое одного из этих адресов,например считывается команда прог-

раммы, кэш-память производит очень быстрое сравнение , определяя,не

соответствует ли тэг (признак) запрошенного ЦП адреса одному из храни-

мых в кэш-памяти элементов.В случае успеха (попадания) команду можно

считать из кэш-памяти, не обращаясь к медленной основной памяти. Чтобы

оправдать применениеКэш-памяти,коэффициент попаданийдолжен быть

достаточно высоким (обычно более 80%).Типичный размеркэш-памяти

составляет 4 Кбайта. Очевидно, чем больше кэш-память, тем выше коэффи-

циент попаданий.

Управление памятью,введенное в 32-битные процессоры, предназна-

чается для максимального распределения областей памяти между различны-

ми программами(иих данными), а также для обеспечения защиты прог-

рамм. Это устройство может быть встроено в ЦП или быть выполнено в ви-

де отдельноймикросхемы, Устройствоуправленияпамятью преобразует

формируемый ЦП логический адрес памяти в физический адрес, которыйи

подается впамять. Следовательно,ОСпередает управление от одной

программы к другой,причем обе программы разделяют один и тот же диапо-

зон логических адресов, но в физической памяти они расположены отдель-

но. Кроме того, УУП обеспечивает защиту программ или данных, например,

допуская считывание и назначая уровни привилегий.

Все 32-разрядные МП могут работать с сопроцессорами,среди кото-

- 14 -

рых наиболеераспространен арифметический процессор с плавающей точ-

кой. Все арифметические сопроцессоры удовлетворяют стандарту IEEE P754

с 80-битной расширенной точностью.

МП производятся по NMOП- или КМОП-технологиям и содержатот200

до 300тыс. транзисторов. Из-за увеличенного числа внешних соединений

пришлось отказаться от корпуса типа DIP и перейти к корпусусчеты-

рехсторонним расположением выводов.

ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ МП.

Тенденции МП определяются главным образом отставанием технологий

их проектированияот более высоких темпов роста технологии производс-

тва микросхем, а также превышением спроса на популярные МП над предло-

жением на продажу.

Характерным примером является развитие центральных МП с архитек-

турой 80386-80486.МП80386 разработанпо0,3-Мбитной технологии

(DRAM - 1 М,около 2 млн. транзисторов). В МП 80486 фактически был

скопирован МП 80386,а в оставшиеся 700 тыс. транзисторов были разме-

щены сопроцессор 80387 и кэш-память емкостью 8Кбайт.

В настоящее время в производство внедряется 4-Мбитная технология,

в 1993-94 гг. ожидается 16-Мбитная технология, в 2000 г. - 128-Мбитная

и т.д. Одновременно с этим существенно снижается стоимость производст-

ва 1 бита и соответственно МП.Например,стоимость МП 80486 снизится

более чем в 30 раз.

ТЕНДЕНЦИИ РОСТА ПРИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МП ФИРМЫ INTEL.

_____________________________________________________________________

МП частота, МГц год выпуска число транзисторов MIPS

80386 251986 0,3 млн. 16

80386 331988 0,3 24

80486 251990 1,2 27

80486 331991 1,2 30

80486 501992 1,2 40

_____________________________________________________________________

В ноябре 1990 г. президент фирмы INTEL отметил, что с увеличением

темпов микроминиатюризация чипов МП возрастет и производительность МП.

Так, МП80486 с тактовой частотой 25 МГц имеет производительность 27

MIPS, а 80486 с тактовой частотой 50 МГц - 40 MIPS.

К 2000 г.фирмапредполагает обеспечить разработку МП системы,

включающей 4 мп с 5 млн.транзисторов у каждого и обладающий произво-

дительностью 2000 MIPS.

Кроме того, в состав системы включаются два процессора 80860, два

векторных процессора,кэш-память емкостью два Мбайта и усовершенство-

ванный интерфейс для распознавания образов и голосовоговвода-вывода

- 15 -

инф. Система пока получила условное название MICRO-2000, будет разме-

щаться на чипе площадью в 1 кв.дюйм и должна работать на частоте25

МГц.

Развитие возможностей технологии порождаетмножествопроблем ,

связанных с совершенствованием МП (время разработки, надежность, поиск

оптимальных решений и т.д.).

МИКРОСХЕМЫ НА БАЗЕ 80286. Для создания компактных и дешевых

АТ-совместимых ПЭВМ с малым потреблением энергии фирма AMD разработала

микросхему, содержащюю МП AMD286 и все базовые компоненты, тербуемые

для построения компьютера. Микросхема имеет2 варианта исполнения:

Am286 и Am286LX, отличающиеся низким потреблением энергии.

Микропроцессорный набор содержит кроме AM286 микросхемы памяти

DRAM, контроллеры клавиатуры и системной шины.

Микросхема Am286ZX разработанадля использованияв настольных

ПЭВМ, а Am286LX - в портативных.Построенные на основе МП типа 80С286

схемы могут работать с частотой 12,5 и 16 МГц, непосредственноуправ-

лять микросхемами DRAM, сопроцессором 80С286, BIOS, контроллером кла-

виатуры и двумя разъемами AT-bus. Последнее особенно важно для исполь-

зования впортативных ПЭВМ типа LAPTOP и notebook,нетребующих боль-

шого числа разъемов системной шины.

Наиболее широкомикросхемы применяютсяв портативных ПЭВМ типа

notebook, где низкое потребление энергии и компактность являютсякри-

тическими параметрами. Эти микросхемы - основа перспективных портатив-

ных IBM PC AT-совместимых ПЭВМ.

МП ТИПА 386 ФИРМЫ AMD. Фирмой AMD создано несколько типов МП, ап-

паратно и программно совместимых с МП фирмы INTEL:

INTEL 80386DX 80386SX 80386SL

AMD AM386DX AM386SX AM386DXL

МП серии АМ386DX (с частотами 20,25, 33 МГц) разработаны на ос-

нове транзисторовразмером0,8 мкм (в отличие от 1 мкм в 80386DX) и

потребляют энергии на 69% меньше, чем в 80386DX.

В МП AM386DXLобеспечиваетсяочень низкий уровень потребления

энергии благодаря введению режима ожидания ,в котором МПпотребляет

не более 1 mA.

По оценкам специалистов фирмы AMD,в МП обеспечиваетсяменьший

разброс характеристик, чем в 80386.

Тестирование МП AM386DX ( лабораторией журнала "Byte" )показало

его идентичность МП 80386.

Стоимость АМ386 соответствует стоимости 80386.

МИКРОСХЕМЫ НА БАЗЕ 80386. Фирма INTEL разработала МП набор с уве-

личенной степенью интеграции на базе МП80386SX,состоящий издвух

СБИС исодержащий все базовые компоненты,необходимые для построения

портативных 80386SX-совместимых ПЭВМ типа notebook.

СБИС процессорногоустройства 80386SL содержит МП 80386SX с уст-

- 16 -

ройствами управления памятью и кэш-памятью, поддержки расширенной па-

мяти EEMS-LIM 4.0, схемы сопряжения с арифметическим сопроцессором

80387SX, управления системной шиной типа AT-bus(ISA-bus),буферами

шины, обеспечивающимивыходна 8 разъемов расширения ISA-bus,схемы

управления системного энергопотребления.

СБИС подсистемыввода-вывода 82360SLсодержитбольшинство из

стандартных компонентов подсистемыввода-выводакомпьютера: парал-

лельный и последовательный порты ввода-вывода, управления прямым дос-

тупом в память (два контроллера 8237) и регенерацией памяти, часы ре-

ального времени,схемы выборки микросхем,счетчики/таймеры (два типа

8254), управление прерываниями (два контроллера 8258А) и интерфейс ма-

гистральных дисков.

МП 486SX. Для создания более дешевых и болеепроизводительных,

чем 80386SX,МП фирмы INTEL разработала МП 80486SX (называемый также

"облегченным" 486), который не содержит встроенного в чип арифметичес-

кого сопроцессорасплавающей точкой.Первый вариант МП работает на

частоте 20 МГц, второй - 25 МГц.

МП 80486SX построен на основе усовершенствования архитектуры МП

80386DX в направлении архитектуры 80486. По оценкам специалистов, про-

изводительность МП80486SX(20 МГц)соответствует производительности

МП 80386DX (33 МГц), а 80486SX (25 МГц) - МП 80386Dx (40 МГц).

МП 80486SX имеет более усовершенствованную архитектуру по сравне-

нию с 80386DX, существенно упрощающую проектирование компьютера благо-

даря работающимвнутри чипа устройствам ЦП,кэш-памяти и контроллеру

системной шины,а также меньшей тактовой частотой , которая обеспечи-

вает использованиеболее простых микросхем и меньшую нагрузку локаль-

ной шины, чем при использовании МП 80386.

Наиболее широкое применение МП 80486SX найдут в дешевых персональ-

ных ПЭВМ, разрабатываемых проектировщиками ПЭВМ на базе МП 80386.

Отсутствие внешнего арифметического сопроцессора с плавающей точ-

кой является критическим параметром для проектировщиков системных

плат, которые предусматривают возможность замены МП 80486SX на 880486.

При обеспечении совместимости по выводамсущественноупростится

проектирование DEM-систем,таккак не будет необходимости ориентиро-

ваться на системные платы с двумя типами системных шин AT-busи

EISA-bus, рассчитанных на использование 80386 и 80486 соответственно.

- 17 -

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Мячев А.А., Степанов В.Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ.

Основы организации. - М.: Радио и связь, 1991.

2. Фигурнов В.Э.IBM PC для пользователя.Изд. 4-е,перераб.и

доп. - М.: Финансы и статистика, НПО "Информатика и компьютеры",

1994.

3. Холленд Р.Микропроцессорыи операционные системы:Краткое

справочное пособие: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

4. Пятибратов А.П. Вычислительные машины, системы и сети. - М.:

Финансы и статистика, 1991.

5. Мячев А.А.Персональные ЭВМ:Краткий энциклопедический спра-

вочник. - М.: Финансы и статистика, 1992.