Микропроцессоры. 2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет                                 технологии и дизайна»

ИНСТИТУТ БИЗНЕС-КОММУНИКАЦИЙ

 

КАФЕДРА РЕКЛАМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Вычислительная техника и программирование»

Студентки группы 3 СЗ-10С

Пашковой Анастасии Валерьевны

Тема: «Микропроцессоры»

 

 

Проверил:________________________

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ……………………………………………………………………………………3

Глава 1 Важнейшие определения …………………………………………………………

    1. Понятие микропроцессоры …………………………………………………………
    2. Характеристика и структура микропроцессоров …………………………………

Глава 2 Устройство управления ………………………………………………………..

    1. Арифметико-логическое устройство …………………………………………..
    2. Микропроцессорная память …………………………………………………….
    3. КЭШ-память …………………………………………………………………….
    4. Интерфейсная часть микропроцессора ………………………………………..

Глава 3 Типы микропроцессоров ……………………………………………………..

3.1.  Архитектура микропроцессоров …………………………………………………

3.2.  История развития микропроцессоров ……………………………………………

Заключение ……………………………………………………………………………..

Список использованной литературы …………………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ    

  Важнейший компонент любого персонального - это его микропроцессор. Данный элемент в большей степени определяет возможности  вычислительной системы и, образно выражаясь, является его сердцем. До настоящего времени безусловным лидером в создании современных микропроцессоров остаётся фирма  Intel.

Микропроцессор, как правило, представляет из себя сверхбольшую интегральную схему, реализованную в едином полупроводниковом кристалле и способную выполнять функции центрального процессора. Степень интеграции определяется размерами кристалла  и количеством реализованных в нём транзисторов. Часто интегральными микросхемы  называют чипами (chips).   

  К обязательным компонентам микропроцессора относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство и блок управления. Они характеризуются скоростью (тактовой частотой), разрядностью или длинной слова (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд. Архитектура микропроцессора определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а также типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие типы данных: бит(один разряд), байт (8 бит), слово (16 бит), двойное слово (32 бита). Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью, портами ввода-вывода).    

  Под конвейерным режимом понимают такой вид обработки, при котором интервал времени, требуемый для выполнения процесса в функциональном узле (например, в арифметико-логическом устройстве) микропроцессора, продолжительнее, чем интервалы, через которые данные могут вводится в этот узел. Предполагается, что функциональный узел выполняет процесс в несколько этапов, то есть когда первый этап завершается, результаты передаются на второй этап, на котором используются другие аппаратные средства.

 

Разумеется, что устройство, используемое на первом этапе, оказывается свободным для начала новой обработки данных. Как известно, можно выделить четыре этапа обработки команды  микропроцессора: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. Иными словами, в ряде случаев пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться. С внешними устройствами микропроцессор может «общаться» благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенных на специальные контакты корпуса микросхемы. Стоит отметить,  что разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных.

Иначе говоря, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь, например только 16 линий внешних данных. Объём физически адресуемой микропроцессорной памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2 в степени N, где N - количество адресных линий.

ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.

Современный человек в повседневной жизни постоянно использует множество цифровых устройств, в том числе компьютер. Главной частью аппаратного обеспечения компьютера является микропроцессор.

В настоящее время используются разные архитектуры процессоров, я не считаю целесообразным описывать все их, а остановлюсь лишь на самых распространенных - процессорах х86 (х86 64) архитектуры.

Итак, микропроцессор это устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем.

В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

Целью данной контрольной работы является ознакомление с историей развития микропроцессора и его основами характеристиками.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

-ознакомление  с характеристиками микропроцессоров;

-ознакомление с историей микропроцессоров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1 ВАЖНЕЙШИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

     Прежде чем продолжить рассказ о микропроцессорах, напомним важные определения, которые пригодятся в дальнейшем. Любое внешнее устройство, совершающее по отношению к микропроцессору операции ввода-вывода, можно назвать периферийным.

Регистр представляет собой совокупность стабильных устройств ( то есть имеющих два устойчивых состояния), предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. В качестве таких устройств в интегральных схемах используют триггеры. Триггер в свою очередь выполнен на транзисторных переключателях (электронных ключах). В регистре из N триггеров можно запомнить слово из N бит информации.

Порт - это некая схема сопряжения, обычно включающая в себя один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющая подключить, например периферийное устройство к внешним шинам микропроцессора. Практически каждая микросхема использует для различных целей несколько портов ввода-вывода. Каждый порт персональном компьютере имеет свой уникальный номер. Заметим, что номера порта - это, по сути, адрес регистра ввода-вывода, причём адресные пространства основной памяти и портов ввода-вывода не пересекаются.

Под прерыванием понимается сигнал, по которому процессор узнаёт совершении некоторого асинхронного события. При этом исполнение текущей  последовательности команд приостанавливается (прерывается), а в место  неё начинает выполнятся другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Прерывания можно классифицировать как аппаратные, логические и программные.

Аппаратные прерывания обычно связаны с запросами от периферийных устройств (например, нажатие клавиши клавиатуры ), логические возникают при работе самого микропроцессора (деление на ноль), а программные инициализируются выполняемой программой и используются для вызова специальных подпрограмм.

 

Кроме того, прерывания могут быть маскируемыми, то есть при определённых условиях (например, запрете на определение прерывания) микропроцессор не обращает на них внимание, и немаскируемыми. В последнем случае, как правило, должны обрабатываться почти катастрофические  события (падение напряжения  питания или ошибка памяти).

В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективна такая передача данных в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена при передаче большого количества информации (например, при загрузке данных в память с внешнего накопителя).

Довольно часто для адресов, номеров портов, прерываний и т.д. используется шестнадцатеричная система счисления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. ПОНЯТИЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ

 

Основой ПК является центральное процессорное устройство (ЦПУ,CPU) или просто процессор. 

Процессор – это микросхема, которая вставляется в специальный разъем на материнской плате, и служит для обработки информации и двух видов операций: числовые операции и операции с плавающей точкой. Также в процессоре находится кэш память L1(level 1) и L2(level 2). Она используется для ускорения доступа к данным, находящимся в оперативной памяти.

Microprocessor — процессор, выполненный в одной либо нескольких взаимосвязанных интегральных схемах. Микропроцессор, как и любой другой процессор, является устройством, предназначенным для обработки или передачи данных. Иногда не имеет памяти, средств ввода/вывода данных. Эти задачи решаются внешними (по отношению к микропроцессору) интегральными схемами. Все чаще используются 32- и 64-разрядные микропроцессоры. Последние позволяют значительно увеличивать адресуемую память и размер файлов, с которыми работают.

Наряду с универсальными производятся специальные микропроцессоры. Каждый из них выполняет ограниченный набор функций, но он дешевле и потребляет меньше электроэнергии. На базе микропроцессоров создаются транспьютеры, выполняющие операции не только обработки, но и передачи данных. 

Процессор полностью собирается на одном чипе из кремния. Электронные цепи создаются в несколько слоев, состоящих из различных веществ, например, диоксид кремния играет роль изолятора, а поликремний — проводника.

Технология микропроцессоров в простейшем случае включает следующие обязательные этапы производства:

    1. выращивание кремниевых заготовок и получение из них пластин;
    2. шлифование кремниевых пластин;
    3. нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2);
    4. нанесение фоторезиста;
    5. литографический процесс;
    6. травление;
    7. диффузия;
    8. металлизация.

 

    Все перечисленные этапы используются для того, чтобы создать на кремниевой основе сложную структуру полупроводниковых планарных транзисторов (CMOS-транзисторов) и связать их должным образом между собой.

 

 

    1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРОВ

 

Тактовая частота микропроцессора - указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Кэш памяти - это очень быстрая память расположенная непосредственно в процессоре, делается это с целью минимизации задержек при обмене данными, т.к. оперативная память расположена достаточно далеко от процессора, и требует прохождения через дополнительные контроллеры, что так же негативно сказывается на быстродействии. В настоящее время встречается кэш память трёх уровней (L1,L2,L3), кэш первого уровня всегда самый быстрый и работает на частоте с процессором, она наиболее дорогая и имеет самый маленький объём, порядка 128-512 Кбайт даже в топовых процессорах. Чаще кэш L1 бывает разделяемый, пополам, на кэш инструкций и кэш адресов. Кэш L2 работает несколько медленнее, но имеет больший объём, до 8 ми Мбайт. Кэш же третьего уровня появился сравнительно недавно и обладает самым большим объёмом, до 16ти Мбайт, он соответственно самый медленный.

 

Дополнительные инструкции. Используемые дополнительные инструкции также помогают ускорить процесс обработки, в первую очередь это относится к типичным задачам, скажем обработки мультимедиа. Первыми предложила дополнительный набор инструкций компания Intel, этот набор назывался MMX (MiltiMedia eXtensions), и представляли собой готовый набор команд для обработки типичных мультимедиа задач, затем появилась 3D Now! от AMD, и прочие: SSE,SSE2,SSE3, … и т.д. Также производителя ми используются и другие технологии позволяющие ускорить вычислительный процесс, как например Hyper Threading от Intel, позволяющую одноядерный процессор рассматривать как двух ядерный за счет того, что во время простоя процессора, при ожидании выполнения команды каким то другим устройством, включить другой поток команд, независящий от первого.

Разрядность процессора - максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

 

СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА

 

Микропроцессор выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ПК. Обычно структура микропроцессора представляет собой одну или несколько больших интегральных схем (БИС).

Она может состоять из отдельных блоков (секций), а может быть размещена на одном чипе (кристалле). Секционная структура позволяет увеличить разрядность и ёмкость запоминающего устройства, однако при этом увеличивается количество блоков, что изменяет габариты, мощность и энергопотребление процессора. Однокристальный микропроцессор обладает постоянной разрядностью и выполняет набор команд, хранящихся в его памяти.

Отличительной особенностью данного микропроцессора является наличие общей шины, по которой организуется прием, передача данных и осуществляется взаимодействие между внутренними блоками и внешними устройствами.

 

 

В состав микропроцессора входят:

      • устройство управления;
      • арифметико-логическое устройство;
      • внутренняя регистровая память;
      • КЭШ – память;
      • схема формирования действительных адресов операндов для обращения к оперативной памяти;
      • схемы управления системной шиной и др.

 

Глава 2 УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ

 

Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во всем блоке машины

Устройство управления формирует управляющие сигналы для выполнения следующих процедур:

    • выборки из регистра счетчика адреса операндов, команды микропроцессорной памяти, адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
    • выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
    • расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
    • считывание из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
    • считывания из регистра команд и регистров микропроцессорной памяти отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях и формировании полных адресов операндов;
    • выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
    • записи результатов операции в память;
    • формирования адреса следующей команды программы.

 

2.1.  АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

 

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций, преобразования информации.

Функционально АЛУ состоит из 2х регистров, сумматора и схем управления (местное устройство управления).

Сумматор - вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на её вход двоичных кодов. Сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр1 (Pr1) имеет разрядность двойного слова, а регистр2 (Pr2) - разрядность слова. При выполнении операции в Pr1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции - результат; в Pr2 - второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр1 может и принимать информацию с кодовых шин данных и выдавать информацию на них, регистр2 только получает информацию с этих шин. Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора арифметико-логического устройства.

 

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (+ ; -; *; :) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т.е. только над целыми числами.

Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.

 

2.2.  МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ПАМЯТЬ

 

Микропроцессорная память - память небольшой ёмкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т.е. время необходимое на поиск или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами - тысячными долями микросекунды). Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины, участвующей в вычислениях.

Внутренняя память микропроцессора состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны: от 14 двухбайтных регистров у МП 8086 до нескольких десятков регистров разной длины у МП Pentium.

Регистры МПП делятся на регистры общего назначения и специальные. Специальные регистры применяются для хранения различных адресов, результатов выполнения операций и режимов работы ПК и др. Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.

 

 

 

 

2.3.  КЭШ - ПАМЯТЬ

 

Кроме внутренней регистровой памяти в микропроцессоре может быть своя встроенная КЭШ - память.

Регистровая КЭШ-память высокоскоростная память сравнительно небольшой ёмкости, являющаяся буфером между оперативной памятью и памятью микропроцессора и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры КЭШ-памяти не доступны для пользователя, отсюда и название КЭШ (Cache), в переводе с английского означает «тайник».

В КЭШ-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении команды программы данные с небольшим опережением записываются в КЭШ-память.

По принципу записи результатов различают 2 типа КЭШ-памяти:

    1. КЭШ-память «с обратной записью» - результаты операций прежде, чем их записать в оперативную память, фиксируются в КЭШ-памяти, а затем контроллер КЭШ-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в оперативную память;
    2. КЭШ-память «со сквозной записью» - результаты операций параллельно записываются и в КЭШ-память и в оперативную память.

 

Микропроцессоры, начиная от МП80486, имеют встроенную КЭШ-память (1-го уровня), чем в частности и обуславливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют КЭШ-память отдельно для данных и отдельно для команд, причем если у Pentium ёмкость этой памяти не большая (8 Кбайт), то у Pentium Pro она достигает 256-512 Кбайт. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная КЭШ-память (2-го уровня), размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, ёмкость которой может достигать нескольких Мегабайтов.

    1. ИНТЕРФЕЙСНАЯ ЧАСТЬ МИКРОПРОЦЕССОРА

 

Интерфейсная часть микропроцессора предназначена для связи и согласования микропроцессора с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполненной программы и формирования полных адресов операндов и команд.

Интерфейсная часть включает в свой состав адресные регистры МПП. Узел формирования адреса, блок регистров команд, являющейся буфером команд в микропроцессоре, внутреннюю интерфейсную шину микропроцессора и схемы управления шиной и портами ввода - вывода.

Порты ввода - вывода - это пункты системного интерфейса ПК, через которые микропроцессор обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у микропроцессора может быть 65536. Каждый порт имеет адрес - номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода - вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.

Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и 2 регистра памяти - для обмена данными и обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода - вывода.

Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:

      • Формирование адреса порта и управляющей информацией для него (переключение порта на прием или передачу и др.);
      • Прием управляющей информацией от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
      • Организацию сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода - вывода и микропроцессором.

 

Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины инструкций, адреса и данных системной шины. При доступе к порту микропроцессор посылает сигнал по кодовой шине инструкций, которая оповещает все устройства ввода - вывода, что адрес на кодовой шине адреса является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по кодовой шине данных осуществляется обмен данными.

 

Глава 3 ТИПЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

 

При оценке параметров микропроцессора и выборе микропроцессорной серии большую роль играет разрядность прибора, которая задает элементарный объём обрабатываемых данных. Чем больше разрядность, тем выше производительность и шире возможности адресации. В ранних приборах разрядность регистров, шин управления, а также информационных шин почти всегда была одинаковой. Сейчас существует множество архитектур процессоров, которые делятся на две глобальные категории - RISC и CISC.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) - процессоры  с сокращенной системой команд. Они обычно имеют набор однородных  регистров универсального назначения, причем их число может быть  большим. Система команд отличается относительной простотой, коды инструкций имеют четкую структуру с фиксированной длиной. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами декодировать и выполнять эти инструкции за минимальное (в пределе 1) число тактов синхронизации. Определенные преимущества дает унификация регистров.

CISC (Complete Instruction Set Computer) - процессоры  с полным набором инструкций. Состав и назначение их регистров  неоднородны, широкий набор команд  усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает число тактов, необходимое для выполнения инструкций.

 

 

3.1.  АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА

 

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

Энергопотребление микропроцессора.

Количество вычислительных ядер. Увеличение количества вычислительных ядер явилось скорее не просто новшеством, а скорее необходимой мерой, в связи с проблематичностью дальнейшего наращивания тактовых частот, ввиду ограничений, накладываемых техпроцессом. Стоит обратить внимание на то, что увеличение количества ядер не ведёт к линейному увеличению производительности, даже если процесс хорошо подготовлен к работе в многопроцессорных системах, имеются определённые задержки при распределении нагрузки на ядра, что тоже требует определённой работы, и чем больше ядер, там труднее производить данный процесс.

 

 

3.2.  ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ 

Первый микропроцессор i4004 был изготовлен в 1971г и с тех пор фирма Intel прочно удерживает лидирующее положение на сегменте рынка. Наиболее успешен проект разработки i8080. Именно на ней был основан компьютер "Альтаир", для которого Б. Гейтс написал свой первый интерпретатор Basic. Классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Настоящим промышленным стандартом для PC стал микропроцессор i8088, который был анонсирован Intel в июне 1979 г.

В 1981 г. "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 феврале 1982г Intel выпустила i80286. Он появился одновременно с новым компьютером IBM PC AT.

Наряду с увеличением производительности имел защищенный режим (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 обмениваться с ПУ 2-х байтными сообщениями. Новый микропроцессор позволял в защищенном режиме обращаться к 16Мб ОЗУ. В процессоре i80286 впервые на уровне микросхем были реализованы мультизадачность и управление виртуальной памятью. При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1.2 Mips.