Развитие микропроцессоров
План лекции:
1. Введение.
2. Микропроцессоры i80386.
3. Микропроцессоры i80486.
4. Процессоры Pentium.
5. Производительность процессоров.
План лекции:
1. Введение.
2. Микропроцессоры i80386.
3. Микропроцессоры i80486.
4. Процессоры Pentium.
5. Производительность процессоров.
Введение
Важнейший элемент любого PC — микропроцессор. Он в большей степени опре-деляет возможности вычислительной системы. Первый микропроцессор i4004 был изготовлен в 1971г и с тех пор фирма Intel прочно удерживает лидирующее положе-ние на сегменте рынка. Наиболее успешен проект разработки i8080. Именно на ней был основан компьютер \»Альтаир\», для которого Б. Гейтс написал свой первый ин-терпретатор Basic. Классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Настоящим промыш-ленным стандартом для PC стал микропроцессор i8088, который был анонсирован Intel в июне 1979г. В 1981г \»голубой гигант\» (фирма IBM) выбрала этот процессор для своего PC. Первоначально микропроцессор i8088 работал на частоте 4.77 МГц и имел быстродействие около 0.33 Mops, однако потом были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту 8 МГц. Микропроцессор i8086 появился ровно на год раньше, в июле 1978г, стал популярен благодаря компьютеру Compaq Dec Pro. Опираясь на архитектуру i8086 и учитывая запросы рынка, в фев-рале 1982г Intel выпустила i80286. Он появился одновременно с новым компьюте-ром IBM PC AT. Наряду с увеличением производительности имел защищенный ре-жим (использовал более изощренную технику управления памятью). Защищенный режим позволил таким программам, как Windows 3.0 и OS/2 работать с ОЗУ выше 1Мб. Благодаря 16-ти разрядным данным на новой системной шине можно обмени-ваться с ПУ 2-х байтными сообщениями. Новый микропроцессор позволял в защи-щенном режиме обращаться к 16Мб ОЗУ. В процессоре i80286 впервые на уровне микросхем были реализованы мультизадачность и управление виртуальной памя-тью. При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1.2 Mips.
Микропроцессоры i80386
В октябре 1985 года Intel анонсировал первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Первым компьютером, использующий этот микропроцессор, был Compaq Desk Pro 386. Полностью 32-разрядная архитектура в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью, которое помимо блока сегментации было дополнено блоком управления страницами. Этого устройство по-зволяет легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое. На тактовой частоте 16 МГц быстродействие составляло 6 Mips. 32-адресные линии позволяли физически адресовать 4Gb памяти, кроме того, был введен новый режим управления виртуальной памятью V86. В этом режиме могли одновременно могли выполняться несколько задач для i8086.
Микропроцессор i80386, изготовленный на 1 кристалле с сопроцессором, назы-вался i80386DX. Более дешевая модель 32-разрядного микропроцессора появилась только в июле 1988г (i80386SX). Новый микропроцессор использовал 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. Это было особенно удобно для стан-дартного IBM PC AT. Программное обеспечение, написанное для i80386DX, работа-ло на i80386DX. Внутренние регистры были полностью идентичны. Индекс SX про-изошел от слова \»шестнадцать\»(16-разрядная шина данных). Для i486 SX стал озна-чать отсутствие сопроцессора. На осенней выставке в 1989г Intel анонсировала i80486DX, который содержал 1.2 млн. транзисторов на одном кристалле и был пол-ностью совместим с остальными 86-ми процессорами. Новые микросхемы впервые объединили на 1 кристалле ЦП, сопроцессор и Кэш-память. Использование конвей-ерной архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволяющим достичь 4-х крат-ного производительности обычных 32-разрядных систем. 8Кб встроенной Кэш-памяти ускоряли выполнение за счет промежуточного хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц микропроцессор имел производи-тельность 16.5 Mips. Созданная в январе 1991г. версия микропроцессора с тактовой частотой 50 МГц позволял увеличить производительность еще на 50%. Встроенный сопроцессор существенно ускорял математические вычисления, однако впоследст-вии стало ясно, что подобный микропроцессор необходим только 30% пользовате-лей.
Микропроцессоры i80486
Появление нового микропроцессора i80486SX можно считать одним из важ-нейших событий 1991г. Предварительные испытания показали, что i486SX с часто-той 20 МГц работал примерно на 40% быстрее i486DX с частотой 33 МГц. Микро-процессор i486SX содержит на кристалле КЭШ память, а математический сопроцес-сор заблокирован. Если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и на рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. В семействе i486 предусмотрены не-сколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: команды поддержки, механизм семафоров памяти. Аппаратно реализовано выявление недос-товерности строки Кэш-памяти, обеспечивающее согласованность между несколь-кими модулями Кэш-памяти. Для микропроцессоров семейства i486 допускалась ад-ресация физической памяти 4Gb и виртуальной памяти размером 64 Тб. К концу 1990г 32-разрядные микропроцессоры стали стандартными для компьютеров Notebook, однако, типичные микросхемы i386DX/SX не полностью отвечали требо-ваниям разработчиков портативных компьютеров. В 1990г фирмой Intel был разра-ботан i386SL, который представлял собой интегрированный вариант микропроцес-сора i386SX, базовая архитектура которого была дополнена еще несколькими кон-троллерами. Все компоненты, необходимые для построения портативного компью-тера, сосредоточены в 2 микросхемах: микропроцессор i80386SL и периферийный контроллер i82360SL. В набор i386SL впервые введены новые прерывания SMI, ко-торые могли быть использованы для обработки событий, связанных с управлением потребляемой мощностью. Вместе с мат. сопроцессором i80387SL данный набор микросхем позволял создавать компьютер на площади, ненамного превышающей размер игральной карты. Микросхема i80486SL представляет собой самый произво-дительный процессор серии SL, разработанный Intel в конце 1992г. По производи-тельности он уступает i80486DX, но, благодаря пониженному напряжению питания (3.3 V), он может эффективно использоваться в портативных компьютерах. Произ-водительность систем такого типа повышается за счет 16-разрядной шины PI-интерфейса, который поддерживает быстрый интерфейс графического дисплея и устройств хранения информации на основе Flash-памяти.
В 1992 году Intell объявила о создании 2-го поколения МП, названных i486DX2. Они обеспечивали новую технологию, при которой скорость работы ядра МП в 2 раза выше скорости остальной части системы. Тем самым появилась возможность объе-динения высокой производительности МП с внутренней частотой 50МГц и эффек-тивные по скорости 25/33МГц системы. Новые микросхемы по-прежнему включали в себя ЦП, математический сопроцессор и кэш-память на 8Кб. Компьютеры, постро-енные на базе i486DX2, работают приблизительно на 70% быстрее тех, что основа-ны на МП i486DX2 первого поколения. Несколько позже появились процессоры на базе i486SX2, в которых отсутствует встроенный сопроцессор. Следует напомнить, что технология умножения частоты стола использоваться на процессорах OverDrive. Основное отличие DX2 и OverDrive в том, что первые монтируются на системной плате еще при сборке машины, а вторые устанавливаются самим пользователем. Внутренние функциональные узлы используют удвоенную тактовую частоту, в то время как остальные элементы системной платы работают с обычной скоростью. Это позволяет увеличить производительность системы за счет хранения части дан-ных и выполняемых кодов во внутренней кэш-памяти. Повышенная производитель-ность сопровождается существенным увеличением потребляемой мощности. В на-стоящее время технология умножения частоты находит широкое применение прак-тически во всех современных МП. Так фирма Intell выпускает серию МП DX4 (DX4-75,83,100,120). Напряжение питания этих МП 3.3В. Кол-во транзисторов 1.6 млн.
Процессоры Pentium
В марте 1995 г. Intell объявила о поставке 66,60МГц версии МП, известного ра-нее как 586. Эти системы полностью совместимы с МП i86, 286, 386, 486. Новая Микросхема содержит около 3,1 млн. транзисторов и имеет 32-х разрядную адрес-ную и 64-х шину данных, что позволяет обмен данными с системной платой со ско-ростью 528 Мб/с. В отличие от 486, при производстве которого использовалась КМОП технология, при производстве Pentium Intell применила 0.8 микронную Bi-CSOS технологию. Р166 имеет производительность около 112 MIPS. Суперскаляр-ная архитектура содержит 2 пяти ступенчатых блока исполнения, работающих неза-висимо, и обрабатывающих 2 инструкции за 1 такт синхронизации. Pentium имеет 2 разделённых кеша по 8Кб для команд и данных. Одним из наиболее интересных новшеств является небольшая кэш-память, называемая буфером меток переходов, который позволяет динамически предсказывать переходы в исполняемых програм-мах. По скорости оперирования с плавающей точкой Pentium оставил далеко позади всех своих собратьев по классу. Это достигается благодаря реализации оптимизиро-ванных алгоритмов, а также спец. аппаратных блоков сложения, умножения и деле-ния с 8-и ступенчатой конвейеризацией, что позволяет выполнять операции с пла-вающей точкой за 1 такт. В настоящее время выпускаются версии Pentium с внут-ренним умножением частоты в 1.5/2 раза (75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66). Для снижения рассеиваемой мощности с 13 до 4 Вт напряжение питания снижено до 3,3В. Три режима потребления рассчитаны на максимальный ток в 1A, 50мА, 100мкА. Кол-во выводов возросло до 296. Для производства кристалла стала ис-пользоваться 0.6 микронная Bi-CMOS технология. Кол-во транзисторов возросло до 3.3 млн.
1 ноября 1995 года Intell объявила о начале коммерческих поставок МП нового по-коления P6, в основе которого лежит комбинация технологии многократного преде-ла ветвления, анализ потоков данных и эмуляция выполняемых инструкций. В кор-пусе Микросхема размещаются 2 кристалла: 256/512Кб кэш-память 2-го уровня и сам МП. На кристалле процессора располагается 16Кб кеш 1-го уровня. В семейство Р6 входит МП с тактовыми частотами 200, 166, 150 МГц. Производительность Р6 — 200 по тесту производительности соответствует 366, т.e. этот МП превосходит свой аналог в RISC. Число транзисторов МП 5,5 млн. а кеш памяти 31 млн. При напряже-нии питания около 3В МП вместе с кеш памятью рассеивает 14Вт. Изделие выпол-нено в квадратном корпусе с 387 выводами. Архитектура Р6 позволяет объединять между собой множество МП создавая таким образом непревзойденную масштаби-руемость. Специально для Р6 Intell разработал 2 набора Микросхема для шины PCI. Развитие линии Р6 пойдет в направлении увеличения тактовой частоты и снижения размеров технических норм, а также увеличения емкость кэша 1-го уровня до 32Кб, кроме того предполагается совершенствование архитектуры с учетом технологии мультимедиа, в частности цифровой обработки видео. Совершенно новый и не-обычный МП Р7, совместно разработанный Intell и HP, появился в 1997 году. Он поддерживает длинные инструкции и имеет производительность 1 млд. MIPS.
Производительность процессоров
До недавнего времени основной мерой производительности МП являлась их такто-вая частота, однако по мере усложнения архитектуры (RISC-ядро, встроенный кеш, технология внутреннего умножения частоты) данный параметр работы МП хотя и остался одним из важнейших, но уже не был определяющим. В 1992 году Intell предложила индекс для оценки производительности своих МП iCOMP. Индекс представляет собой число, которое выражает производительность МП семейства i86. Производительность 486SX-25 принимается за 100. При вычислении индекса учи-тываются операции со следующими \»взвешенными\» компонентами: 16-разрядные целые 57%, 16-р вещественные 13%, 32-р целые 25%, 32-р вещественные 5%.
Таблица 1 Таблица индексов iCOMP
Модель iCOMP
486SX2-50 180
486DX4-100 435
P60 510
P166 1308
Сопроцессоры
Важной характеристикой любого ПК является его быстродействие. Для ряда ком-пьютерных задач одним из самых критичных параметров выступает скорость вы-полнения операций с плавающей точкой. Даже самые мощные МП тратят на такие вычисления много времени, поэтому вполне логично было создание для этой цели специальных устройств — Микросхема математического сопроцессора. До недавнего времени сопроцессор представлял собой специализированную микросхему, рабо-тающую во взаимодействии с МП. Данная Микросхема была предназначена только для выполнения мат. операций. Во всех МП Intell от 486DX и выше сопроцессор ин-тегрирован на кристалле МП. С другой стороны, хотя и компьютер определяется как \»тот, кто вычисляет\», масса современных программных приложений вовсе не требу-ет выполнения сложных мат. операций. Если не затрагивать специальных физиче-ских или математических задач моделирования, можно однозначно сказать о необ-ходимости сопроцессора для работы с 3-хмерной графикой, издательскими пакета-ми, электронными таблицами и т.д. При работе же с БД или обычными текстовыми редакторами использование сопроцессор вовсе не обязательно. По некоторым оцен-кам только 1/3 пользователей эффективно используют математический сопроцессор.
Первым математическим сопроцессором для ПК IBM стал i8087 производства Intell, который появился в 1980 году. Со временем, помимо чисто Intell-x сопроцессоров, появились сопроцессор и ряда других фирм. CYRIX предлагал один из самых быст-рых сопроцессоров, основанных на классической архитектуре. Причем гарантирова-лась полная совместимость с сопроцессорами Intell. Производительность этой мик-росхемы несколько выше потому, что все критичные по времени выполнения опера-ции реализованы в данной микросхеме с использованием жесткой логики (аппарат-ный умножитель, отдельное арифметико-логическое устройство для вычисления мантиссы и т.д.). Повышение производительности особенно заметно при вычисле-нии квадратного корня или тригонометрических функций. Он еще и точнее Intell-го.
Weitek была основана в 1981 году несколькими инженерами, покинувшими Intell. Выполнение простых операций с одинарной точностью на сопроцессоре Weitek происходит менее чем за 200 нс., тогда как сопроцессор, использующий классиче-скую архитектуру, выполняет подобные операции за 1.5 мкс. Обращение к сопро-цессору происходит как бы через ОЗУ. Таким образом, загрузив операнды в область памяти, соответствующей сопроцессору, следующей командой можно уже считы-вать результат. Применение сопроцессора Weitek имеет смысл только тогда, когда он поддерживается программным обеспечением. В связи с этим сопроцессор Weitek находит достаточно ограниченное применение….
Скачать полную версию работы
СКАЧАТЬ работу l-informatika/Lekcii-informatika-15.rar