Микропроцессоры

При разработке 32-битного процессора 80386 потребовалось решить две

основные задачи - совместимость и производительность. Первая из них была

решена с помощью эмуляции микропроцессора 8086 - режим реального адреса

(Real Adress Mode) или R-режим.

В Р-режиме процессор 80386 может выполнять 16-битные программы (код)

процессора 80286 без каких-либо дополнительных модификаций. Вместе с тем, в

этом же режиме он может выполнять свои «естественные» 32-битные программы,

что обеспечивает повышение производительности системы. Именно в этом

режиме реализуются все новые возможности и средства процессора 80386,

среди которых можно отметить масштабированную индексную адресацию памяти,

ортогональное использование регистров общего назначения, новые команды,

средства отладки. Адресное пространство памяти в этом режиме составляет 4

Гбайт.

Микропроцессор 80386 дает разработчику систем большое число новых и

эффективных возможностей, включая производительность от 3 до 4 миллион

операций в секунду, полную 32-битную архитектуру, 4 гигабитное (2 байт)

физическое адресное пространство и внутреннее обеспечение работы со

страничной виртуальной памятью.

Несмотря на введение в него последних достижений микропроцессорной

техники, 80386 сохраняет совместимость по объектному коду с программным

обеспечением, в большом количестве написанным для его предшественников,

8086 и 80286. Особый интерес представляет такое свойство 80386, как

виртуальная машина, которое позволяет 80386 переключаться в выполнении

программ, управляемых различными операционными системами, например, UNIX и

MS-DOS. Это свойство позволяет производителям оригинальных систем

непосредственно вводить прикладное программное обеспечение для 16-битных

машин в системе на базе 32-битных микропроцессоров. Операционная система

P-режима может создавать задачу, которая может работать в режиме

виртуального процессора 8086 (Virtual 8086 Mode) или V-режим. Прикладная

программа, которая выполняется в этом режиме, полагает, что она работает на

процессоре 8086.

32-битная архитектура 80386 обеспечивает программные ресурсы,

необходимые для поддержки «больших « систем, характеризуемых операциями

с большими числами, большими структурами данных, большими программами (или

большим числом программ) и т.п. Физическое адресное пространство 80386

состоит из 2 байт или 4 гбайт; его логическое адресное пространство

состоит из 2 байт или 64 терабайт (тбайт). Восемь 32-битных общих

регистров 80386 могут быть взаимозаменяемо использованы как операнды команд

и как переменные различных способов адресации. Типы данных включают в себя

8-, 16- или 32-бит-ные целые и порядковые, упакованные и неупакованные

десятичные, указатели, строки бит, байтов, слов и двойных слов.

Микропроцессор 80386 имеет полную систему команд для операций над этими

типами данных, а также для управления выполнением программ. Способы

адресации 80386 обеспечивают эффективный доступ к элементам стандартных

структур данных: массивов, записей, массивов записей и записей, содержащих

массивы.

Микропроцессор 80386 реализован с помощью технологии фирмы Intel CH

MOSIII - технологического процесса, объединяющего в себе возможности

высокого быстродействия технологии HMOS с малым потреблением технологии

кмоп. Использование геометрии 1,5 мкм и слоев металлизации дает 80386

более 275000 транзисторов на кристалле. Сейчас выпускаются оба варианта

80386, работающих на частоте I2 и I6 мгц без состояний ожидания, причем

вариант 80386 на 16 мгц обеспечивает скорость работы 3-4 миллиона операций

в секунду.

Микропроцессор 80386 разделен внутри на 6 автономно и параллельно

работающих блоков с соответствующей синхронизацией. Все внутренние шины,

соединяющие эти блоки, имеют разрядность 32 бит. Конвейерная организация

функциональных блоков в 80386 допускает временное наложение выполнения

различных стадий команды и позволяет одновременно выполнять несколько

операций. Кроме конвейерной обработки всех команд, в 80386 выполнение

ряда важных операций осуществляется специальными аппаратными узлами. Блок

умножения/деления 80386 может выполнять 32-битное умножение за 9-41 такт

синхронизации, в зависимости от числа значащих цифр; он может разделить 32-

битные операнды за 38 тактов (в случае чисел без знаков) или за 43 такта

(в случае чисел со знаками). Регистр группового сдвига 80386 может за

один такт сдвигать от 1 до 64 бит. Обращение к более медленной памяти (или

к устройствам ввода/вывода) может производиться с использованием

конвейерного формирования адреса для увеличения времени установки данных

после адреса до 3 тактов при сохранении двухтактных циклов в процессоре.

Вследствие внутреннего конвейерного формирования адреса при исполнении

команды, 80386, как правило, вычисляет адрес и определяет следующий

магистральный цикл во время текущего магистрального цикла. Узел

конвейерного формирования адреса передает эту опережающую информацию в

подсистему памяти, позволяя, тем самым, одному банку памяти дешифрировать

следующий магистральный цикл, в то время как другой банк реагирует на

текущий магистральный цикл.

3.7. Процессор 80486.

В 1989 г. Intel представила первого представителя семейства 80х86,

содержащего более миллиона транзисторов в чипе. Этот чип во многом сходен с

80386. Он на 100% программно совместим с микропроцессорами 386(ТМ) DX &

SX. Один миллион транзисторов объединенной кэш-памяти (сверхбыстрой

оперативной памяти), вместе с аппаратурой для выполнения операций с

плавающей запятой и управлением памяти на одной микросхеме, тем не менее

поддерживают программную совместимость с предыдущими членами семейства

процессоров архитектуры 86. Часто используемые операции выполняются за

один цикл, что сравнимо со скоростью выполнения RISC-команд.

Восьмикилобайтный унифицированный кэш для кода и данных, соединенный с

шиной пакетного обмена данными со скоростью 80/106 Мбайт/сек при частоте

25/33 МГерц гарантируют высокую производительность системы даже с

недорогими дисками (DRAM). Новые возможности расширяют многозадачность

систем. Новые операции увеличивают скорость работы с семафорами в памяти.

Оборудование на микросхеме гарантирует непротиворечивость кэш-памяти и

поддерживает средства для реализации многоуровневого кэширования.

Встроенная система тестирования проверяет микросхемную логику, кэш-

память и микросхемное постраничное преобразование адресов памяти.

Возможности отладки включают в себя установку ловушек контрольных

точек в выполненяемом коде и при доступе к данным. Процессор i486 имеет

встроенный в микросхему внутренний кэш для хранения 8Кбайт команд и

данных. Кэш увеличивает быстродействие системы, отвечая на внутренние

запросы чтения быстрее, чем при выполнении цикла чтения оперативной памяти

по шине. Это средство уменьшает также использование процессором внешней

шины. Внутренний кэш прозрачен для работающих программ. Процессор i486

может использовать внешний кэш второго уровня вне микросхемы процессора.

Обычно внешний кэш позволяет увеличить быстродействие и уменьшить полосу

пропускания шины, требуемую процессором i486.

3.8. Intel OverDrive процессор.

Возможность постоянного совершенствования. Пользователи персональных

компьютеров все чаще сталкиваются с этим по мере все возрастающих

требований к микропроцессорам со стороны аппаратного и программного

обеспечения. Фирма Intel уверена: лучшая стратегия совершенствования -

первоначально заложенная в систему возможность модернизации, модернизации

согласно вашим нуждам. Впервые в мире такая возможность предоставляется

нашим потребителям. Фирма Intel приступила к выпуску Intel OverDrive

процессора, открывающего новую категорию мощных сопроцессоров. После

простой установки этого сопроцессора на плату резко вырастет скорость

работы всей системы и прикладных программ в MS-DOS, Windows, OS/2,

Windows'95 и UNIX.

С помощью этой одной-единственной микросхемы Вы сразу же сможете

воспользоваться преимуществами новой стратегии фирмы Intel, заложенной в

нашей продукции. Когда настанет неотвратимый момент, когда Вам

потребуется производительность большая, чем у Вашего компьютера, то все,

что Вам будет нужно - это вставить OverDrive процессор в Вашу систему - и

пользоваться преимуществами, которые даст Вам новая микропроцессорная

технология фирмы Intel. Более чем просто модернизация, OverDrive процессор

- это стратегия защиты Ваших настоящих и будущих вкладов в персональные

компьютеры.

Intel OverDrive процессор гарантирует Вам отвечающую стандартам и

экономичную модернизацию. Всего лишь одна микросхема увеличит

вычислительную мощь Вашего компьютера до требований самого современного

программного обеспечения и даже тех программ, которые еще не написаны, в

MS-DOS, в Windows, в PS/2, в UNIX, от AutoCAD - до WordPerfect.

Итак, наш первый микропроцессор в серии Single Chip Upgrade

(Качественное улучшение - одной микросхемой) - это OverDrive процессор для

систем на основе Intel i486SX. Установленный в OverDrive-

разъем, этот процессор позволяет системе i486SX использовать новейшую

технологию «удвоения скорости», используемую в процессоре i486DX2, и дающую

общее увеличение производительности до 70%. OverDrive процессор для

систем i486SX содержит модуль операций над целыми числами, модуль

операций над числами с плавающей точкой, модуль управления памятью и 8К

кэш-памяти на одном кристалле, работающем на частоте, в два раза

превышающей тактовую частоту системной шины. Это уникальное свойство

позволяет Вам удвоить тактовую частоту Вашей системы, не тратясь на

покупку и установку других дополнительных компонентов. OverDrive процессор

удвоит, например, внутреннюю частоту МП i486SX 25 МГц до 50 МГц.

Хотя Intel OverDrive - это совершенно новая технология качественной

модернизации, в нем узнаются и фамильные черты Intel. Изготовленный и

испытанный в соответствии с жесткими стандартами Intel, OverDrive

отличается зарекомендовавшими себя свойствами продукции Intel: качеством и

надежностью. OverDrive обеспечен постоянной гарантией и привычным

сервисом и поддержкой во всем мире. OverDrive полностью совместим

более чем с 50000 прикладных программ. OverDrive процессор для i486SX -

только первый из наших новых процессоров. Во втором полугодии 1992 года

мы выпустим OverDrive процессор для систем i486DX2, самих по себе

представляющих новое поколение технологии МП. Мощный и доступный,

OverDrive процессор проложит для Вас непрерывный путь к качественно новым

уровням производительности персональных компьютеров.

3.9. Процессор Pentium.

В то время, когда Винод Дэм делал первые наброски, начав в июне 1989

года разработку Pentium процессора, он и не подозревал, что именно этот

продукт будет одним из главных достижений фирмы Intel. Как только

выполнялся очередной этап проекта, сразу начинался процесс всеобъемлющего

тестирования. Для тестирования была разработана специальная технология,

позволившая имитировать функционирование Pentium процессора с

использованием программируемых устройств, объединенных на 14 платах с

помощью кабелей. Только когда были обнаружены все ошибки, процессор смог

работать в реальной системе. В дополнение ко всему, в процессе разработки и

тестирования Pentium процессора принимали активное участие все основные

разработчики персональных компьютеров и программного обеспечения, что

немало способствовало общему успеху проекта. В конце 1991 года, когда была

завершен макет процессора, инженеры смогли запустить на нем программное

обеспечение. Проектировщики начали изучать под микроскопом разводку и

прохождение сигналов по подложке с целью оптимизации топологии и

повышения эффективности работы. Проектирование в основном было завершено

в феврале 1992 года. Началось всеобъемлющее тестирование опытной партии

процессоров, в течение которого испытаниям подвергались все блоки и узлы.

В апреле 1992 года было принято решение, что пора начинать промышленное

освоение Pentium процессора. В качестве основной промышленной базы была

выбрана 5 Орегонская фабрика. Более 3 миллионов транзисторов были

окончательно перенесены на шаблоны. Началось промышленное освоение

производства и доводка технических характеристик, завершившиеся через 10

месяцев, 22 марта 1993 года широкой презентацией Pentium процессора.

Объединяя более, чем 3.1 миллион транзисторов на одной кремниевой

подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризуется высокой

производительностью с тактовой частотой 60 и 66 МГц. Его суперскалярная

архитектура использует усовершенствованные способы проектирования,

которые позволяют выполнять более, чем одну команду за один период

тактовой частоты, в результате чего Pentium в состоянии выполнять огромное

количество PC-совместимого программного обеспечения быстрее, чем любой

другой микропроцессор. Кроме существуюших наработок программного

обеспечения, высокопроизводительный арифметический блок с плавающей запятой

Pentium процессора обеспечивает увеличение вычислительной мощности до

необходимой для использования недоступных ранее технических и научных

приложений, первоначально предназначенных для платформ рабочих станций.

Многочисленные нововведения - характерная особенность Pentium

процессора в виде уникального сочетания высокой производительности,

совместимости, интеграции данных и наращиваемости. Это включает:

. Суперскалярную архитектуру;

. Раздельное кэширование программного кода и данных;

. Блок предсказания правильного адреса перехода;

. Высокопроизводительный блок вычислений с плавающей запятой;

. Расширенную 64-битовую шину данных;

. Поддержку многопроцессорного режима работы;

. Средства задания размера страницы памяти;

. Средства обнаружения ошибок и функциональной избыточности;

. Управление производительностью;

. Наращиваемость с помощью Intel OverDrive процессора.

Cуперскалярная архитектура Pentium процессора представляет собой

совместимую только с Intel двухконвейерную индустриальную архитектуру,

позволяющую процессору достигать новых уровней производительности

посредством выполнения более, чем одной команды за один период тактовой

частоты. Термин «суперскалярная» обозначает микропроцессорную архитектуру,

которая содержит более одного вычислительного блока. Эти

вычислительные блоки, или конвейеры, являются узлами, где происходят все

основные процессы обработки данных и команд.

Появление суперскалярной архитектуры Pentium процессора

представляет собой естественное развитие предыдущего семейства процессоров

с 32-битовой архитектурой фирмы Intel. Например, процессор Intel486

способен выполнять несколько своих команд за один период тактовой

частоты, однако предыдущие семейства процессоров фирмы Intel требовали

множество циклов тактовой частоты для выполнения одной команды.

Возможность выполнять множество команд за один период тактовой частоты

существует благодаря тому, что Pentium процессор имеет два конвейера,

которые могут выполнять две инструкции одновременно. Так же, как и

Intel486 с одним конвейером, двойной конвейер Pentium процессора выполняет

простую команду за пять этапов: предварительная подготовка, первое

декодирование ( декодирование команды ), второе декодирование ( генерация

адреса ), выполнение и обратная выгрузка.

В результате этих архитектурных нововведений, по сравнению с

предыдущими микропроцессорами, значительно большее количество команд

может быть выполнено за одно и то же время.

Другое важнейшее революционное усовершенствование, реализованное в

Pentium процессоре, это введение раздельного кэширования. Кэширование

увеличивает производительность посредством активизации места временного

хранения для часто используемого программного кода и данных, получаемых из

быстрой памяти, заменяя по возможности обращение ко внешней системной

памяти для некоторых команд. Процессор Intel486, например, содержит один

8-KB блок встроенной кэш-памяти, используемой одновременно для

кэширования программного кода и данных.

Проектировщики фирмы Intel обошли это ограничение использованием

дополнительного контура, выполненного на 3.1 миллионах транзисторов

Pentium процессора ( для сравнения, Intel486 содержит 1.2 миллиона

транзисторов ) создающих раздельное внутреннее кэширование программного

кода и данных. Это улучшает производительность посредством исключения

конфликтов на шине и делает двойное кэширование доступным чаще, чем это

было возможно ранее. Например, во время фазы предварительной подготовки,

используется код команды, полученный из кэша команд. В случае наличия

одного блока кэш-памяти, возможен конфликт между процессом

предварительной подготовки команды и доступом к данным. Выполнение

раздельного кэширования для команд и данных исключает такие конфликты,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5