Реферат: Процессоры ЭВМ
РЕГИСТРЫ - внутренние носители информации микропроцессора. Это внутренняя память процессора. Регистров - три. Один хранит команды или инструкции, два других - данные. В соответствии с командами процессор может производить сложение, вычитание или сопоставление содержимого регистров данных.
2.2 Характеристики микропроцессоров
Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя характе-
ристиками: типом (моделью) и тактовой частотой.
Наиболее распространены модели Intel-8088,80286, 80386SX,
80386(DX), 80486(SX, SX2,DX, DX2, DX4 и т.д.), Pentium и Pentium Pro
они приведены в порядке возрастания производительности и цены.
Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую
частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и
цена микропроцессора.
Тактовая частота указывает, сколько элементарных опера-
ций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая
частота измеряется в мегагерцах(МГц). Следует заметить, что
разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции
(например, сложение или умножение) за разное число тактов. Чем
выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для
выполнения одних и тех же операций. Поэтому микропроцессор
Intel-80386 работает в два раза быстрее Intel-80286 с такой же
частотой.
2.3 Сопроцессоры.
Специализация сопроцессоров состоит в быстрой обработке чисел с плавающей запятой. Они могут выполнять как обычные операции сложения, вычитания, умножения и деления, так и более
сложные операции, такие как вычисление тригонометрических
функций
Конструктивно заложенные в микропроцессор сигналы, позволяют передавать работу сопроцессору и затем получать результаты обработки. Чтобы использовать арифметический сопроцессор, находящийся в составе компьютера, необходимы программы, которые могут выдавать специальные коды, необходимые для запуска сопроцессора.
Микропроцессоры 8088, 80286, 80386 сконструированы так, что они позволяют использовать арифметические сопроцессоры 8087, 80287, 80387 фирмы "Intel"-соответственно. Более поздние модели микропроцессоров имеют встроенные сопроцессоры.
2.4. Наиболее важные параметры МП
Структуры различных типов МП могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, 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.
Микропроцессоры 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 которой одновременно с выполнением текущей команды производятся предварительная 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 обработку нескольких 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-разрядную шину, адресующую 68 Кбайт памяти. В 16-разрядные МП, как правило, 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 выборки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных, разрядность которой, как правило, совпадает с разрядностью внутренней шины данных, определяемой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внешней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разрядность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных. Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой имеют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют собой специальные модификации обычных 16 разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощностью.
Одним из важных параметров МП является быстродействие, определяемое тактовой частотой его работы, которая обычно задается внешними синхросигналами. Для разных МП эта частота имеет пределы 0,4...233 МГц и более. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) требует минимально двух периодов тактовых импульсов ( для выборки команды и её выполнения ). Более сложные команды требуют для выполнения до 10 - 20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и записи результата в память.
Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний.
2.5 Команды микропроцессора
Арифметические операции - это такие операции, как
сложение, вычитание, умножение, деление и другие.
Логические операции - это такие операции, как
сравнение, отредактировать и отметить, логическое И и
логическое ИЛИ, исключение, проверка по маске и прочее.
Операции ввода-вывода - это такие операции, как начать,
остановить, опросить устройства ввода-вывода, опросить каналы
и так далее.
Операции переключения состояния - это такие операции,
как проверить и установить, загрузить реальные адреса и так
далее.
2.6 Основной алгоритм работы процессора
Процессор начинает работу после того, как программа записана в память ЭВМ, а в счетчик команд (СК) записан адрес первой
команды программы. Работу процессора можно описать следующим
циклом:
2НЦ
чтение команды из памяти по адресу, записанному в СК
увеличение СК на длину прочитанной команды
выполнение прочитанной команды
2КЦ
После чтения очередной команды процессор увеличивает СК на длину команды. Поэтому при следующем выполнении тела цикла процессор прочтет и выполнит следующую команду программы, потом еще одну и т. д. Цикл закончится, когда встретится и будет выполнена специальная команда "стоп". В итоге ЭВМ автоматически, без участия человека, команда за командой, выполнит всю команду целиком.
Автоматизм работы процессора, возможность выполнения
длинных последовательностей команд без участия человека - одна
из основных отличительных особенностей ЭВМ как универсальной
машины обработки информации.
3. БИС микропроцессоров
Среди отечественных БИС имеется три класса микропроцессорных БИС, отличающихся структурой, техническими характеристиками и функциональными возможностями: секционированные с наращиванием разрядности и микропрограммным управлением; однокристальные микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ с фиксированной разрядностью и системой команд.
Вместе с периферийными БИС , выполняющими функции хранения и ввода-вывода данных , управления и синхронизации, сопряжения интерфейсов и. т. д., микропроцессоры составляют законченные комплекты БИС.
Секционированные микропроцессорные комплекты (МПК) допускают наращивание параметров (прежде всего разрядности обрабатываемых данных) и функциональных возможностей. Секционированные МПК ориентированы в основном на применение в универсальных и специализированных ЭВМ, контроллерах и других средствах вычислительной техники высокой производительности.
МПК на основе однокристальных микропроцессоров и однокристальные микроЭВМ, обладающие меньшей производительностью, но гибкой системой команд и большими функциональными возможностями, ориентированны на широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.
4. Направления в производстве микропроцессоров
На данный момент существует два направления в производстве микропроцессоров. Они различаются в принципах архитектуры. первое направление - это процессоры RISC архитектуры; второе - CISC.
4.1 Микропроцессоры с архитектурой RISC
Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computers) используют сравнительно небольшой (сокращённый) набор наиболее употребимых команд, определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения CISC - процессоров исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объёме оборудования. Арифметику RISC - процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту ( значит, и производительность ) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC - процессоры с самого начала ориентированны на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC - процессорах. В результате чего, RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высоко производительней, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ). Дейв Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC :
