Структура базового микропроцессора. Структура микропроцессора Intel 8085A показана на рис

Структура микропроцессора Intel 8085A показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структура МП Intel 8085A

Микропроцессор имеет восьмиразрядную одноаккумуляторную архитектуру. То есть регистры общего назначения (РОН), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и шина данных – 8-разрядные, а вся обработка информации осуществляется через один важнейший РОН – аккумулятор (А).

На схеме приняты следующие обозначения:

A (Accumulator) – регистр-аккумулятор, выполненный на двухступенчатых триггерных элементах и способный хранить одновременно два слова (один из операндов и результат операции);

БРВ – регистр временного хранения одного из операндов;

АЛУ – арифметико-логическое устройство. Выполняет действия над двумя словами-операндами, подаваемыми на его входы.

Аккумулятор служит источником и приемником данных, регистр БРВ – источником слова данных, хранимым на время выполнения операции.

АЛУ выполняет арифметическую или логическую операцию над операндами, хранящимися в буферных регистрах А и БРВ.

Код операции (КОП) формируется автоматом управления МП. Результат операции поступает во второй регистр аккумулятора.

АЛУ непосредственно выполняет операции сложения, вычитания, сдвига, сравнения слов, поразрядные логические операции (конъюнкцию, дизъюнкцию, сложение по модулю 2 и др.). Более сложные математические операции (умножение, деление и др.) выполняются программно. В АЛУ имеются схема перевода двоичных чисел в двоично-десятичные (DA, Decimal Adjust).

Непосредственно с АЛУ связан регистр флагов – RF (Register Flags),
т. е. разрядов, отображающих признаки результатов арифметических или логических операций, выполненных в АЛУ.

В регистре флагов указываются пять признаков:

Z (Zero) – нулевой результат, С (Carry) - перенос, AC (Auxiliary Carry) – вспомогательный (межтетрадный) перенос, S (Sign) – знак, - Р (Parity) – четность веса слова. Признак вспомогательного переноса АС (переноса между младшей и старшей тетрадами восьмиразрядного слова) нужен при выполнении операций в двоично-десятичном коде. Смысл остальных признаков ясен из их наименований. Признаки служат для управления ходом процесса обработки информации. Состояние разряда С можно изменить программно

С внутренней шиной данных через мультиплексор связан блок регистров, часть которых специализирована, другая часть (регистры общего назначения, РОН) программно доступна и может быть использована по усмотрению программиста. Регистры обозначены через W, Z, В, С, D, E, H, L, SP и PC.

Регистры W и Z предназначены только для временного хранения данных при выборке команды из памяти и недоступны для программиста. Их иногда называют теневыми регистрами.

Регистры В, С, D, E, H, L относятся к регистрам общего назначения,

т. к. могут использоваться по усмотрению программиста. Эти восьмиразрядные регистры могут применяться либо автономно, либо в виде пар В-С, D-E, H-L, играющих роль 16-разрядных регистров. Пары регистров именуются по первым (старшим) регистрам пары: В, D, H.

Пара H-L используется в качестве базового регистра для размещения в нем адресов при выполнении команд с косвенной регистровой адресацией.

К специализированным регистрам относятся 16-разрядные регистры SP и PC .

Регистр SP (Stack Pointer) используется как указатель стека.

Программный счетчик PC (Program Counter) - другое название – указатель на текущую выполняемую команду (IP) обеспечивает доступ к области кода, которая может быть размещена в любом месте адресного пространства памяти МП.

Регистр команд IR (Instruction Register) принимает из памяти первый байт команды, который декодируется автоматом управления, формирующим сигналы, необходимые для реализации машинных циклов, предписанных кодом операции.

11. Система команд базового микропроцессора. Способы адресации.

Команды МП приведены в [3]. В первой графе таблицы даны мнемокоды команд с обозначениями регистров через r. Пары регистров обозначены через rp, адресуемые ячейки памяти - через М, третий и второй байтов команды - через b3b2, адреса ВУ - через port. Мнемоническое обозначение М подразумевает косвенную адресацию (адрес ячейки памяти, к которой происходит обращение, находится в регистровой паре НL).

Во второй графе коды первого байта команды даются в двоичном восьмиразрядном представлении, если требуется указать в них адреса операндов, или в двухразрядном шестнадцатеричном представлении в иных случаях. Разряды обобщенных адресов регистров - источников данных выражены буквами SSS, регистров - приемников данных - буквами РРР, пар регистров - буквами rp. Подставляя вместо буквенных символов определенные адреса, получим коды конкретных вариантов команды (например, из обобщенной формы "пересылка из регистра в регистр" конкретный вариант "пересылка из регистра В в регистр D"). Коды условий, при выполнении которых осуществляется указанная в команде операция, обозначены буквами CCC, расшифровка которых имеет вид табл. 2.4.

Включая конкретные условия в мнемокоды команд, получаем их варианты. Например, команда условного перехода из обобщенной формы J<код условия><адрес перехода > переводится в вариант JNZ b3b2 - переход к команде с адресом b3b2, если результат текущей операции не равен нулю. Признаки формируются в регистре флажков (RF), формат которого представляется в виде, представленном на рис. 2.4.

Таблица 2.4

Рис. 2.4. формат регистра флажков

S = 0 означает "плюс", S = 1 - "минус";

Z = 0 - неравенство нулю, Z = 1 - равенство нулю;

С или АС = 1 - наличие переноса, С или АС = 0 - его отсутствие;

Р = 0 - нечетность, Р = 1 - четность.

Разряды 5, 3, 1 содержат константы и для признаков не используются.

В коде команды рестарта RST три разряда, отмеченные буквами NNN, формируются системой прерываний или указываются программистом. При выполнении команды текущее содержимое программного счетчика PC (IP) загружается в стек, а в PC формируется код с нулевым старшим байтом и младшим байтом вида 0NNN00.

Операция сравнения производится вычитанием операндов с установкой признака результата (Z = 1 - равные операнды, S = 0- содержимое аккумулятора больше второго операнда, S = 1 - меньше).

В третьей графе прочерк означает, что выполнение команды не сопровождается выработкой флажков-признаков, знак плюс говорит об установке всех признаков, знак плюс в скобках - об установке всех признаков, кроме признака наличия или отсутствия переноса С, а символ С означает, что вырабатывается только признак наличия или отсутствия переноса.

Команды RLC, RRC, RAL и RAR реализуют циклические (кольцевые) сдвиги содержимого аккумулятора на один разряд в ту или иную сторону без включения (RLC и RRC) или с включением (RAL и RAR) в кольцо разряда С регистра флажков (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схемы, поясняющие выполнение команд сдвига микропроцессором

Два возможных значения чисел тактов и циклов приведены для команд, выполнение которых зависит от состояния признаков - флажков.

15. Эволюция архитектур микропроцессоров семейства Х86.

Микропроцессоры i80186/80188и их модификации i80С186/80С188 имеют встроенные упрощенные структуры контроллеров прерываний, прямого доступа к памяти, трехканального таймера. Имеется также генератор синхронизации и селектор адреса периферийных устройств. Кроме наличия встроенных периферийных устройств, эти процессоры функционально практически не отличаются от МП i8086/8088.

За счет архитектурных улучшений сокращено число тактов, требуемых для выполнения некоторых команд. Процессоры i80С186/80С188 имеют средства управления энергопотреблением, есть их модификации со встроенными последовательными портами и контроллерами регенерации динамической памяти.

Встроенные периферийные устройства этих процессоров имеет программный интерфейс, несовместимый со спецификацией IBM PC. Эти процессоры используются во встраиваемых контроллерах и компьютерах, не требующих полной совместимости с IBM PC (возможно обеспечение совместимости на уровне MS-DOS).Благодаря наличию развитого периферийного оборудования, эти МП называют еще периферийными процессорами.

Микропроцессор i80286был выпущен в 1982 году. Он имел 134 000 транзисторов (технология 1,5 мкм) и позволял адресовать до 16 Мбайт физической памяти. Его принципиальные новшества – реализация защищенного режима и виртуальной памяти размером до 1 Гбайт – не нашли массового применения из-за низкого быстродействия при работе в защищенном режиме, поэтому процессор большей частью использовался в реальном режиме как быстрый i8086.

Основная заслуга этого МП, что на его базе был создан персональный компьютер (ПК) IBM PC АТ. Это, пожалуй, один из самых массовых и много лет использующийся ПК.

Первые 32-разрядныепроцессоры фирмы Intel появились в 1985 году. Это МП i80386(275 000 транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность шины данных (и внутренних регистров) составила 32 бит, адресуемая физическая память – 4 Гбайт. В состав МП включили новые регистры. Появились новые 32-битные операции, существенно доработан защищенный режим, были введены режим «виртуальных машин» V86 и страничное управление памятью. Процессор нашел широкое применение в PC. Появилась возможность реализовать на практике многозадачный режим.

Высокая эффективность работы ПК обеспечивалась операционными системами OS/2, Windows и их приложениями.

Микропроцессор Intel 486DX появился в 1989 году. Транзисторов – 1,2 млн, технология 1 мкм. От процессора i80386 отличается размещением на кристалле быстродействующей статической буферной памяти (кэш) первого уровня (L1) размером 8 Кбайт и встроенного математического сопроцессора – процессора с плавающей точкой (FPU), ядро которого для повышения производительности было выполнено по RISC- технологии (предыдущие процессоры использовали внешние сопроцессоры Х87 с обычной CISC - архитектурой). Сам процессор выполнен по классической CISC -технологии. Позже появились разновидности МП, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессора, применением внутреннего умножения частоты, политикой кэширования и др.

В 1993 году появились первые процессоры Pentiumс частотой 60 и 66 МГц. Это 32-разрядные процессоры с 64-разрядной шиной данных. Транзисторов 3,1 млн, технология 0,8 мкм, питание 5 В. От МП i486 Pentium отличается суперскалярной архитектурой – способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух команд (инструкций).

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц появились в 1994 году. Они представляли второе поколение процессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения отличались реализацией внутреннего умножения частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и другим типом корпуса. Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярными в PC. В 1995 году были выпущены процессоры на 120 и 133 МГц, выполненные уже по технологии 0,35 мкм. В1996 году появились процессоры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором в массовых ПК.

Практически в одно и то же время с Pentium проектировался процессор Pentium Pro,который считается классическим "суперскаляром" и отличается "динамическим исполнением", направленным на увеличение числа параллельно исполняемых инструкций. Ядро процессора выполнено полностью по RISC – технологии. Глубина вложенности конвейера достигла 14 ступеней

Однако на 16-разрядных приложениях, а также в среде Windows 95 он был сравним с производительностью обычного Pentium.

Особенностью архитектуры процессора было наличие кэш 2 уровня (L2), который разместили в одном корпусе с МП. Кэш работал на частоте ядра. Первоначальный объем кэш 2 уровня составлял 256 Кбайт.. Процессор содержал 5,5 млн транзисторов ядра и 15,5 млн транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кбайт. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года были достигнуты частоты 166, 180 и 200 МГц (технология 0,35 мкм), а кэш увеличен до 512 Кбайт. Недостатком МПPentium Proявляется высокая стоимость. Это следствие малого процента выхода годных изделий, поскольку процессор и кэш 2 уровня размещались в одном корпусе.

В начале 1997 года фирма Intel выпустила процессоры Pentium ММХ(MultiMedia eХtensions) - мультимедийные расширения. Технология ММХ предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией (SIMD). Эта технология призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработка сигналов. Реально выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки.

В мае 1997 года появился процессор Pentium II,в котором технология ММХ была соединена с архитектурой Pentium Pro.Он представляет собой усеченный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое ввели поддержку ММХ. Двойная независимая шина на уровне кэш L1 позволяет обеспечить совместную работу двух процессоров. Трудности размещения вторичного кэш и процессорного ядра в корпусе одной микросхемы преодолели, поместив кристалл с ядром (processor core), набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих кэш L2, - на небольшой печатной плате-картридже. Все кристаллы закрыты общей крышкой и охлаждаются специальным вентилятором.

Для систем начального уровня появилось семейство процессоров Celeron, младшие модели которого вообще не имели вторичного кэш.

Для мощных систем в это время выпускается процессор Pentium II Хеоn с частотой ядра 400 и 450 МГц (частота шины 100 МГц), у которого кэш L2 объемом до 2 Мбайт работает на частоте ядра.

Процессоры первого поколения этого семейства (Intel Pentium III 450 и Intel Pentium III 500) были выпущены фирмой Intel в конце февраля 1999 года. Первые процессоры семейства Intel Pentium III на ядре Katmai мало чем отличались от предшествовавших им процессоров Intel Pentium II. Самое значительное отличие заключалось в появлении 70 новых SSE-инструкций, наличие которых должно было увеличить производительность системы при обработке графики, аудио и видеоинформационных потоков, при работе с 3D-приложениями и программами распознавания речи, а также при просмотре содержимого Web-сайтов. Однако эти возможности до сих пор не получили широкого распространения.

Второе поколение процессоров Intel Pentium III выполнено на ядре Coppermine с частотами от 500 до 733 МГц появилось на рынке в1999 г.

Наряду с выпуском процессоров Pentium II продолжалось совершенствование линии Celeron.

Развиваемое поколение Celeron называют Coppermine 128 К, так как он основан на ядре Pentium III (Coppermine) и содержит 128 Кбайт кэш-памяти второго уровня; интегрированной на кристалле. Напомним, что первые МП Celeron были без кэш второго уровня.

Удачная архитектура Pentium III, благодаря стараниям Intel, не изжила себя до начала 2002 г. В это время компании удалось перевести Р6 на 0.13 мкм технологический процесс. Таким образом, на рынке появились первые экземпляры Pentium III Tualatin, которые имеют пониженное напряжение питания, уменьшенное тепловыделение и более высокие частоты: 1.13 ГГц, 1.2 ГГц и выше.

Третье поколение процессоров Celeron, основано на "урезанном" 0.13-микронном ядре Northwood (Pentium 4). Процессоры Celeron 2 ГГц стали первыми CPU этого семейства.

В конце ноября 2000 года Intel представила микропроцессор Pentium 4 (кодовое название Willamette), архитектура NetBurst которого коренным образом отличалась от своей предшественницы Р6. Новый процессор позиционировался как высокопроизводительное настольное решение.

Основным отличием новой архитектуры от предшествующих моделей Р6 было еще большее увеличение конвейера – до 20 ступеней, что позволило значительно увеличить частоту процессора без перехода на более "тонкий" технологический процесс. Pentium 4 Willamette изготовлялся по 0.18 мкм технологии, с алюминиевыми межэлементными соединениями. Тактовая частота двух первых моделей составляла 1.4 и 1.5 ГГц. Менее дорогая 1.3 ГГц версия появилась в начале 2001 года и, наконец, в продаже появился Pentium 4 на 0.13-микронном ядре Northwood. Следует отметить, что арифметико-логическое устройство этих процессоров работает на частоте в два раза большей, чем частота ядра.

В конце 2002 года Intel выпустила процессор Pentium 4 с тактовой частотой 3.06 ГГц.

Основная проблема увеличения производительности современных процессоров заключается в том, что число исполняемых за такт инструкций растет не пропорционально числу исполняемых модулей в процессоре, а гораздо медленнее. Например, Pentium 4 содержит четыре параллельных блока для операций с целыми числами, два блока для работы с вещественными числами и два блока для работы с памятью. Но одновременно все эти ресурсы практически никогда не используются. В подавляющем большинстве случаев существенная часть процессора простаивает либо в ожидании данных, либо из-за ее ненужности при исполнении очередной операции. Если с простоями при отсутствии данных можно бороться, наращивая объем кэш-памяти, то загрузить весь процессор целиком при существующей концепции последовательных вычислений нельзя. Например, если программа выполняет сложение целых чисел, то блоки операций с вещественными числами задействованы не будут. Итог: большинство существующих х86 программ использует одновременно не более 35% исполнительных устройств процессора Pentium 4. Если же разрешить процессору одновременное выполнение более чем одного потока, его мощности можно загрузить более эффективно. Именно в этом и состоит основная идея Hyper-Threading. Благодаря этой технологии один физический процессор воспринимается операционной системой и приложениями как два логических процессора. Соответственно, операционная система и приложения предполагают, что МП с технологией Hyper-Threading может одновременно выполнять два потока и загружает такой процессор работой гораздо сильнее. Сам же процессор при этом подвергнут лишь незначительным изменениям, и использует для выполнения второго потока свои простаивающие ресурсы.

Внедрение технологии Hyper-Threading влечет за собой достаточно серьезный рост типичного тепловыделения процессоров, поскольку исполняющие блоки МП теперь используются более активно, процессор с поддержкой Hyper-Threading выделяет больше тепла, чем аналогичный CPU без этой технологии. Вследствие этого, фирма Intel была вынуждена изменить требования к термальным и электрическим характеристикам систем, в которых предполагается использование процессоров Pentium 4 с поддержкой технологии Hyper-Threading.

16. Особенности многоядерных архитектур микропроцессоров.

процессоры, базирующиеся на Intel Core Microarchitecture обрабатывают до четырёх инструкций за такт, в чём превосходят всех своих предшественников, включая и CPU на базе микроархитектуры NetBurst и AMD. Длина исполнительного конвейера процессоров с микроархитектурой Core составляет 14 ступеней. Это накладывает ограничение на тактовые частоты, которые определённо ниже, чем у Pentium 4 и Pentium D, длина конвейера у которых превышает 30 ступеней. Но с точки зрения "производительности на ватт" короткий конвейер является плюсом.

Изделия с Core Microarchitecture реализуются двухъядерными и имеют кэш-память первого уровня (L1) объёмом 64 Кбайта, которая разделяется на две части по 32 Кбайта для кода и данных и общую (разделяемую) на оба ядра кэш-память второго уровня (L2) объёмом 1, 2 или 4 Мбайта. Важно отметить, что процессоры с микроархитектурой Core обладают поддержкой 64-битных расширений Enhanced Memory 64 Technology (EM64T). Это существенное отличие Core микроархитектуры от микроархитектуры процессоров Pentium M, которые, как и более современные их последователи Core Duo, 64-битные режимы работы не поддерживают в силу заложенных в них ограничений.

В микроархитектуре Core, речь идёт о ”широком” динамическом исполнении. "Широким" оно стало благодаря тому, что рассматриваемые процессоры Intel смогут исполнять больше операций за такт, нежели их предшественники.

Кроме того, микроархитектура Core имеет более совершенный блок предсказания переходов и более вместительные буферы команд, используемые на различных этапах анализа кода для оптимизации скорости исполнения.

Второй значительный плюс объединённой кэш-памяти второго уровня L2 заключается в том, что благодаря такой ее организации значительно снижается нагрузка на оперативную память системы и на процессорную шину. В этом случае перед системой не стоит задача контроля и обеспечения когерентности кэш-памяти различных ядер. Разделяемая кэш-память оказывается полезной двухъядерным процессорам и в некоторых других случаях. Например, внедрение технологии Core Multiplexing Technology позволяет реализовать механизм динамического отключения второго ядра, в зависимости от характера нагрузки на процессор.

Помимо рассмотренных особенностей следует выделить технологию Intel Smart Memory Access. Технологии, объединенные под этим названием, направлены на уменьшение задержек, которые могут возникнуть при доступе процессора к обрабатываемым данным.

18. Программируемые параллельные адаптеры и организация параллельного обмена данными.

19. Программируемые связные адаптеры и организация последовательного обмена данными.

Если расстояние между компонентами микропроцессорной системы, на которое передаются данные, превышает десятки метров, то параллельный способ обмена информацией становится экономически невыгодным. В этом случае компонентами МПС обеспечивается преобразование параллельных данных в последовательные для их передачи по одной сигнальной линии.

В частности, последовательный способ передачи информации используются при применении обычных телефонных линий или радиоканалов для связи удаленных объектов, что широко распространено в практике.

Тракт передачи последовательных данных в общем случае включает в себя источник и приемник данных, программируемые связные адаптеры (ПСА) и модемы (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Тракт передачи данных с использованием модема

Основная функция ПСА – преобразование данных из параллельной формы в последовательную и наоборот.

Модемы (модуляторы-демодуляторы) преобразуют двоичные импульсные сигналы (последовательности нулей и единиц) в аналоговый модулированный сигнал, обеспечивающий передачу информации непрерывным (аналоговым) способом по телефонным линиям или радиоканалам. Узкополосность телефонных линий (полоса пропускания около 3 кГц) ограничивает их бодовую скорость. Возможности радиомодемов несколько больше.

В бодах измеряют число состояний канала в секунду. Количество изменений состояний канала в секунду зависит от полосы пропускания линии, и если состояния канала будут соответствовать просто двоичным цифрам (0 и 1), битовая скорость передачи (бит/с), будет мала.

С помощью разных видов модуляции (фазовой, частотной, амплитудной) и их сочетаний получают сигнал, в котором один бодовый интервал содержит информацию, эквивалентную нескольким битам. В этом случае битовая скорость будет в несколько раз выше бодовой. Например, если при фазовой модуляции синусоидального сигнала на бодовом интервале можно задавать четыре фазы сигнала (-90°, 0°, 90° и 180°), то это позволит удвоить битовую скорость относительно бодовой. Современные модемы имеют эквивалентную битовую скорость передачи не менее 38,4 Кбит/с.

Последовательный обмен информацией между компонентами МПС можно организовать без модемов, если расстояние между источником и приемником информации значительно, но не настолько велико, чтобы потребовались передачи по телефонному или радиоканалу (рис. 3.8).

Рис. 3.8.Тракт передачи данных без использования модема.

Здесь ПСА1 преобразует параллельные данные в последовательные, а ПСА2 – последовательные в параллельные.

При обмене последовательными данными передается, как правило, символьная информация(буквы, цифры и другие знаки). Символы кодируются группой битов, число которых можно запрограммировать от 5 до 8. Если разрядность группы 5, то непосредственно можно отображать до 32 различных символов. Такую разрядность имеет международный телеграфный код, в котором, однако, за счет дополнительных признаков принадлежности кода к той или иной регистровой группе число воспроизводимых символов расширено до 78.

22. Классификация интерфейсов.

Поиск по сайту: