Алгоритм работы процессора

Содержание
| |Стр. | |Введение …………………………………………………………………………… |3 | |1. История развития процессоров ……………………………………………… |4 | |1.1. Процессоры фирмы INTEL …………………………………….. |5 | |1.2. Процессоры фирмы AMD ………………………………………. |16 | |2. Алгоритм работы процессора ……………………………………………….. |22 | |2.1. Устройство процессора …………………………………………. |22 | |2.2. Алгоритм работы процессора …………………………………. |24 | |2.2.1. Арифметико-логическое Устройство …………… |24 | |2.2.2. Прерывания процессора …………………………. |32 | |Заключение ………………………………………………………………………… |34 | |Список литературы ……………………………………………………………….. |35 |
Введение
Одним из основных устройств современного персонального компьютера является центральный процессор. Который, на первый взгляд, просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако этот кристалл содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать».
История создания микропроцессора началась еще в 50-х годах, когда на смену электронным лампам пришли компактные «электронные переключатели» - транзисторы, затем – интегральные схемы, в которых впервые удалось объединить на одном кристалле кремния сотни крохотных транзисторов. Но все- таки отсчет летоисчисления компьютерной эры ведут с 1971 года, с момента появления первого микропроцессора.
За три десятка лет, прошедших с этого знаменательного дня, процессоры сильно изменились. Современный процессор это не просто набор транзисторов, а целая система множества важных устройств.
1. История развития процессоров
В настоящее время существуют много фирм по производству процессоров для персональных компьютеров. Это Intel, AMD, Cyrix, VIA, Centaur/IDT, NexGen, и многие другие. Однако наиболее популярными являются Intel и AMD. Развитие процессоров этих ведущих фирм мы и постараемся рассмотреть.
Однако прежде чем углубляться в историю производства процессоров необходимо дать характеристику некоторым техническим терминам характеризующих процессор.
Тактовая частота – это скорость работы процессора, а именно количество операций выполненных на протяжении 1 секунды.
Поколения – поколения процессоров отличаются друг от друга скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом. Если просмотреть поколения процессоров фирмы Intel то их было 8 (8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV).
Модификация – у ведущих и постоянно конкурирующих фирм Intel и AMD есть две модификации процессоров. У Intel это Pentium и Celeron, у AMD это Athlon и Duron. Pentium и Athlon это дорогие процессоры для графических станций или серверов, а Celeron и Duron это процессоры для домашних компьютеров.
Технология производства – под технологией производства в данном случае понимают размер минимальных элементов процессора. Так в 1999 году фирмы перешли на новую, 0,13 – микронную технологию.
КЭШ-память первого уровня – небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.
КЭШ-память второго уровня – эта память более медленная, но она больше от 128 до 512 кбайт.
1.1. Процессоры фирмы Intel
1971г. Intel® 4004 Первый процессор фирмы Intel® был 4-х разрядным, имел 2300 транзисторов и тактовую частоту 108 кГц. Предназначался для калькуляторов Busicom. Технические характеристики: 2300 транзисторов; технология производства: 3 мкм; напряжение питания: 5 В; тактовая частота: 108 кГц; общая разрядность: 4.
1972г. Intel® 8008 Этот процессор также имел 2300 транзисторов, но был 8-и разрядным, и тактовая частота поднялась до 200 кГц. Дон Ланкастер создал на его основе прототип персонального компьютера. Технические характеристики: 2300 транзисторов; технология производства: 3 мкм; напряжение питания: 5 В; тактовая частота: 200 кГц; общая разрядность: 8.
1974г. Intel® 8080 Скорость этого процессора уже измерялась в МГц - их было целых два при 8-и битной разрядности. Число транзисторов возросло более чем в два раза. Технические характеристики: 6000 транзисторов; технология производства: 3 мкм; напряжение питания: 5 В; тактовая частота: 2 МГц; общая разрядность: 8.
1978г. Intel® 8086 Частота этого процессора поднялась до 10 МГц. На его основе начали выпускать компьютеры IBM PC. Технические характеристики: 29000 транзисторов; технология производства: 3 мкм; напряжение питания: 5 В; тактовая частота: 4,77-10 МГц; процессор 16-разрядный; шина данных 16- разрядная; адресная шина 20-разрядная; общая разрядность: 16.
1979г. Intel® 8088 Отличался от предыдущего тем, что шина данных и общая разрядность были 8-и битными. Технические характеристики: 29000 транзисторов; технология производства: 3 мкм; напряжение питания: 5 В; тактовая частота: 4,77-8 МГц; процессор 16-разрядный; шина данных 8-разрядная; адресная шина 20- разрядная; общая разрядность: 8.
1982г. Intel® 80186 Неудавшийся, страшно капризный процессор. О нем забыли даже родители: на сайте Intel® нет о нём никакого упоминания. Технические характеристики: 134000 транзисторов; напряжение питания: 5 В; тактовая частота: 6 МГц; процессор 16-разрядный; шина данных 16-разрядная; адресная шина 20- разрядная; общая разрядность: 16.
1982г. Intel® 80286 Этот процессор примечателен тем, что мог выполнять программы, написанные для любого из его предшественников. Технические характеристики: 134000 транзисторов; тактовая частота: 6-12 МГц; процессор 16-разрядный; шина данных 16-разрядная; адресная шина 24-разрядная; общая разрядность: 16.
1985г. Intel® 386™ DX Первый действительно многозадачный CPU (на нём даже Windows95 работает). Кодовое имя: P9. Технические характеристики: 275000 транзисторов; тактовая частота: 16-32 МГц; процессор 32-разрядный; шина данных 32-разрядная (16- 32Мгц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.
1988г. Intel® 386™ SX Low-End версия Intel® 386™ DX. Кодовое имя: P9. Технические характеристики: 275000 транзисторов; тактовая частота: 16-32 МГц; процессор 32-разрядный; шина данных 16-разрядная (16-32Мгц); адресная шина 24-разрядная; общая разрядность: 16.
1989г. Intel® 486™ DX Первый процессор со встроенными КЭШем первого уровня и математическим сопроцессором (FPU), который существенно ускорил обработку данных. Кодовое имя: P4. Технические характеристики: 1,25 млн. транзисторов; тактовая частота: 25-50 МГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32-разрядный; шина данных 32- разрядная (20-50Мгц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.
1990г. Intel® 386™ SL Мобильная версия 386-го процессора. Кодовое имя: P9. Технические характеристики: 275000 транзисторов; тактовая частота: 20-25 МГц; процессор 32-разрядный; шина данных 16-разрядная (20-25 Мгц); адресная шина 24- разрядная; общая разрядность: 16.
1991г. Intel® 486™ SX Low-End версия Intel® 486™ DX без FPU. Кодовое имя: P23. Технические характеристики: 0,9 млн. транзисторов; тактовая частота: 20-33 МГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32-разрядный; шина данных 16-разрядная (19-33 МГц); адресная шина 24-разрядная; общая разрядность: 16.
1992г. Intel® 486™ SL Версия 486™ DX с расширенными возможностями - контроллер шины ISA, DRAM контроллер, контроллер локальной шины. Технические характеристики: 1,25 млн. транзисторов; тактовая частота: 25-33 МГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32- разрядный; шина данных 32-разрядная (20-33 Мгц); адресная шина 32- разрядная; общая разрядность: 32.
1992г. Intel® 486™ DX2 Первый полностью 32-х разрядный процессор. Кодовое имя: P24. Тех характеристики: 1,25 млн. транзисторов; тактовая частота: 50-66 МГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32-разрядный; шина данных 32-разрядная (25-33 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.
1992г. Intel® 486™ SX2 Это тот же 486™ SX, но с частотой 50 МГц. Кодовое имя: P23. Технические характеристики: 0,9 млн. транзисторов; тактовая частота: 50 МГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32-разрядный; шина данных 16-разрядная (50 МГц); адресная шина 24- разрядная; общая разрядность: 16.
1993г. Intel® Pentium® (P5) Pentium - первый процессор с двухконвейерной структурой. Носил кодовое имя P5 и выпускался в конструктиве под Socket 4. КЭШ-память впервые была разделена – 8 Кб на данные и 8 Кб на инструкции. Технические характеристики: 3,1 млн. транзисторов; технология производства: 0,8 мкм; тактовая частота: 60-66 МГц; КЭШ первого уровня: 16 Кб (8 Кб на данные и 8 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (60-66 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 4.
1993г. Intel® Pentium® (P54C) Повышение тактовой частоты потребовало перехода на более тонкий 0,50 мкм технологический процесс, а позднее 0,35 мкм. Кодовое имя: P54C. Технические характеристики: 3,3 млн. транзисторов; технология производства: 0,5-0,35 мкм; тактовая частота: 75-200 МГц; КЭШ первого уровня: 16 Кб (8 Кб на данные и 8 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (50-66 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 5, позднее Socket 7.
1994г. Intel® 486™ DX4 Последняя "четвёрка" с увеличенным до 16 Кб КЭШем первого уровня. Кодовое имя: P24C. Тех характеристики: 1,6 млн. транзисторов; тактовая частота: 75- 100 МГц; КЭШ первого уровня: 16 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32-разрядный; шина данных 32-разрядная (25-33 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.
1995г. Intel® Pentium® Pro Первый процессор шестого поколения. Впервые была применена КЭШ-память второго уровня, работающая на частоте ядра процессора. Процессоры имели очень высокую себестоимость изготовления и предназначались для мощных (по тем, временам) серверов, но имел один недостаток: плохую оптимизацию для 16- битного кода. Выпускался по технологии 0,50 мкм, а позднее по 0,35 мкм, что позволило увеличить объем КЭШ-памяти L2 с 256 до 512, 1024 и 2048 Кб. Кодовое имя: P6. Технические характеристики: 5,5 млн. транзисторов - процессор, 15,5-31 млн. транзисторов - КЭШ-память; технология производства: 0,5-0,35 мкм; тактовая частота: 150-200 МГц; КЭШ первого уровня: 16 Кб (8Кб на данные и 8Кб на инструкции); полноскоростной КЭШ второго уровня в одном корпусе с процессором 256 Кб-2 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64- разрядная (60-66 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 8.
1997г. Intel® Pentium® MMX (P55C) По мере увеличения доли мультимедиа в процессорных рассчетах, усиления требований игр было изобретено расширение MMX (Multi Media eXtention), содержащее 57 инструкций для вычислений с плавающей точкой, существенно увеличивающее производительность компьютера в мультимедиа-приложениях (от 10 до 60 %, в зависимомти от оптимизации). Кодовое имя: P55C. Технические характеристики: 4,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,28 мкм; тактовая частота: 166-233 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (60-66 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 7.
1997г. Intel® Pentium® MMX (Tillamook) Вариант Pentium MMX для ноутбуков - имел пониженные напряжение ядра и мощность. Механически не был совместим с Socket 7, но имелся переходник на это гнездо. Кодовое имя: Tillamook. Технические характеристики: 4,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 133-300 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (60-66 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём TCP или MMC.
1997г. Intel® Pentium® II (Klamath) Первый процессор из линейки Pentium II, вобравший в себя достоинства Pentium® Pro и Pentium® MMX. Выпускался в новом конструктиве Slot 1 - это краевой разъем с 242 контактами (картридж SECC), разработанный для процессоров модульной конструкции с КЭШ-памятью второго уровня, выполненной на дискретных микросхемах. Кодовое имя: Klamath. Технические характеристики: 7,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,35 мкм; тактовая частота: 233-300 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня (512 Кб) размещён на процессорной плате и работает на половине частоты ядра процессора; процессор 64- разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 1.
1998г. Intel® Pentium® II (Deschutes) Процессор из линейки Pentium II, сменивший Klamath. Отличается от него более тонким технологическим процессом (0,25 мкм) и более высокими тактовыми частотами. Конструктив – картридж SECC, который в старших моделях был сменен на SECC2 (КЭШ с одной стороны от ядра, а не с двух, как в стандартном Deschutes; измененное крепление кулера). Кодовое имя: Deschutes. Технические характеристики: 7,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 266-450 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня (512 Кб) размещён на процессорной плате и работает на половине частоты ядра процессора; процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66-100 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 1.
1998г. Intel® Pentium® II OverDrive Вариант Pentium® II, предназначенный для апгрейда Pentium® Pro, т. е. для установки на материнские платы Socket 8. Кодовое имя: P6T. Технические характеристики: 7,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 333 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 512 Кб; процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Soket 8.
1998г. Intel® Pentium® II (Tonga) Вариант Pentium® II для ноутбуков. Построен на 0,25 мкм ядре Deschutes. Кодовое имя: Tonga. Технические характеристики: 7,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 233-300 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 512 Кб (работает на половине частоты ядра); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём мини-картридж, MMC-1 или MMC-2.
1998г. Intel® Celeron® (Covington) Первый вариант процессора из линейки Celeron®, построенный на ядре Deschutes. Для уменьшения себестоимости процессоры выпускались без КЭШ- памяти второго уровня и защитного картриджа. Конструктив – SEPP (Single Edge Pin Package). Отсутствие КЭШ-памяти второго уровня обуславливало их сравнительно низкую производительность, но и высокую способность к разгону. Кодовое имя: Covington. Технические характеристики: 7,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 266-300 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня отсутствует; процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 1.
1998г. Intel® Pentium® II Xeon Pentium® II Xeon - серверный вариант процессора Pentium® II, котрорый производился на ядре Deschutes и отличался от Pentium® II более быстрой (полноскоростной) и более емкой (есть варианты с 1 или 2 Мб) КЭШ-памятью второго уровня и конструктивом - он выпускался в конструктиве Slot 2 - это тоже краевой разъем, но с 330 контактами, регулятором напряжения VRM, запоминающим устройством EEPROM. Выполнялся в SECC корпусе. Кодовое имя: Deschutes. Технические характеристики: 7,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 400-450 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); полноскоростной КЭШ второго уровня (512 Кб-2 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (100 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 2.
1998г. Intel® Celeron® (Mendocino) Дальнейшее развитие линейки Celeron®. Имеет КЭШ-память L2 объемом 128 Кб, интегрированную в кристалл процессора и работающую на частоте ядра, благодаря чему обеспечивается высокая производительность. Кодовое имя: Mendocino. Технические характеристики: 19 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 300-433 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); полноскоростной КЭШ второго уровня (128 Кб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 1.
1999г. Intel® Celeron® (Mendocino) Отличается от предыдущего тем, что форм-фактор Slot 1 сменился на более дешёвый Socket 370 и увеличилась тактовая частота. Кодовое имя: Mendocino. Технические характеристики: 19 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 300-533 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); полноскоростной КЭШ второго уровня (128 Кб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Socket 370.
1999г. Intel® Pentium® II PE (Dixon) Последний Pentium® II предназначен для применения в портативных компьютерах. Кодовое имя: Dixon. Технические характеристики: 27,4 млн. транзисторов; технология производства: 0,25-0.18 мкм; тактовая частота: 266- 500 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём BGA, мини-картридж, MMC-1 или MMC-2.
1999г. Intel® Pentium® !!! (Katmai) На смену процессору Pentium® II (Deschutes) пришёл Pentium® !!! на новом ядре Katmai. Добавлен блок SSE (Streaming SIMD Extensions), расширен набор команд MMX и усовершенствован механизм потокового доступа к памяти. Кодовое имя: Katmai. Технические характеристики: 9.5 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 450-600 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 512 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (100- 133 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 1.
1999г. Intel® Pentium® !!! Xeon™ (Tanner) Hi-End версия процессора Pentium® !!!. Кодовое имя: Tanner. Технические характеристики: 9.5 млн. транзисторов; технология производства: 0.25-0.18 мкм; тактовая частота: 500-900 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 512 Кб - 2 Мб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (100 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 2.
1999г. Intel® Pentium® !!! (Coppermine) Этот Pentium® !!! изготавливался по 0.18 мкм технологии имеет тактовую частоту до 1000 МГц. Была попытка выпустить процессор на этом ядре с частотой 1113 Мгц, но уже после выпуска в продажу выяснилось, что он в предельных режимах работает очень нестабильно, и все процессоры с этой частотой были отозваны - этот инцидент сильно подмочил репутацию Intel®. Кодовое имя: Coppermine. Технические характеристики: 28.1 млн. транзисторов; технология производства: 0,18 мкм; тактовая частота: 533-1000 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (100-133 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 1, FC-PGA 370.
1999г. Intel® Celeron® (Coppermine) Celeron® на ядре Coppermine поддерживает набор инструкций SSE. Начиная с частоты 800 МГЦ этот процессор работает на 100 МГц системой шине. Кодовое имя: Coppermine. Технические характеристики: 28.1 млн. транзисторов; технология производства: 0,18 мкм; тактовая частота: 566-1100 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 128 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64- разрядная (66-100 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Socket 370.
2000г. Intel® Pentium® 4 (Willamette, Socket 423) Принципиально новый процессор с гиперконвейеризацией (hyperpipelining) - с конвейером, состоящим из 20 ступеней. Согласно заявлениям Intel®, процессоры, основанные на данной технологии, позволяют добиться увеличения частоты примерно на 40 процентов относительно семейства P6 при одинаковом технологическом процессе. Применена 400 МГц системная шина (Quad-pumped), обеспечивающая пропускную способность в 3,2 ГБайта в секунду против 133 МГц шины с пропускной способностью 1,06 ГБайт у Pentium !!!. Кодовое имя: Willamette. Технические характеристики: технология производства: 0,18 мкм; тактовая частота: 1.3-2 ГГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (400 МГц); разъём Socket 423.
2000г. Intel® Xeon™ (Willamette) Продолжение линейки Xeon™: серверная версия Pentium® 4. Кодовое имя: Willamette. Технические характеристики: технология производства: 0,18 мкм; тактовая частота: 1.4-2 ГГц; КЭШ-паять с отслеживанием исполнения команд; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); микроархитектура Intel® NetBurst™; технология гиперконвейерной обработки; высокопроизводительный блок исполнения команд; потоковые SIMD-расширения 2 (SSE2); улучшенная технология динамического исполнения команд; блок вычислений с плавающей запятой удвоенной точности; процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (400 МГц); разъём Socket 603.
2001г. Intel® Pentium® !!!-S (Tualatin) Дальнейшее повышение тактовой частоты Pentium® !!! потребовало перевода на 0.13 мкм технологический процесс. КЭШ второго уровня вновь вернулся к своему иначальному размеру (как у Katmai): 512 Кб и добавилась технология Data Prefetch Logic, которая повышает производительность предварительно загружая данные, необходимые приложению в кеш. Кодовое имя: Tualatin. Технические характеристики: 28.1 млн. транзисторов; технология производства: 0,13 мкм; тактовая частота: 1.13-1.4 ГГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 512 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (133 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём FC-PGA2 370.
2001г. Intel® Pentium® !!!-M (Tualatin) Мобильная версия Tualatin-а с поддержкой новой версии технологии SpeedStep, призванной снизить расход энергии аккумуляторов ноутбука. Кодовое имя: Tualatin. Технические характеристики: 28.1 млн. транзисторов; технология производства: 0,13 мкм; тактовая частота: 700 МГц-1.26 ГГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 512 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (133 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём FC- PGA2 370.
2001г. Intel® Pentium® 4 (Willamette, Socket 478) Этот процессор выполнен по 0.18 мкм процессу. Устанавливается в новый разъём Socket 478, т. к. предыдущий форм-фактор Socket 423 был "переходным" и Intel® вдальнейшем не собирается его поддерживать. Кодовое имя: Willamette. Технические характеристики: технология производства: 0,18 мкм; тактовая частота: 1,3-2 ГГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (400 МГц); разъём Socket 478.
2001г. Intel® Celeron® (Tualatin) Новый Celeron® имеет КЭШ второго уровня размером 256 Кб и работает на 100 МГц системной шине, т. е. превосходит по характеристикам первые модели Pentium® !!! (Coppermine). Кодовое имя: Tualatin. Технические характеристики: 28.1 млн. транзисторов; технология производства: 0,13 мкм; тактовая частота: 1-1.3 ГГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (133 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём FC-PGA2 370.
2001г. Intel® Pentium® 4 (Northwood) Pentium 4 с ядром Northwood отличается от Willamette большим КЭШем второго уровня (512 Кб у Northwood против 256 Кб у Willamette) и применением нового технологического процесса 0,13 мкм. Кодовое имя: Northwood. Технические характеристики: технология производства: 0,13 мкм; тактовая частота: 1,8- 2,2ГГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня 512 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (400 МГц); разъём Socket 478.
2001г. Intel® Xeon™ (Prestonia) Этот Xeon™ выполнен на ядре Prestonia. Отличается от предыдущего увеличенным до 512 Кб КЭШем второго уровня. Кодовое имя: Prestonia. Технические характеристики: технология производства: 0,13 мкм; тактовая частота: 2ГГц; КЭШ-паять с отслеживанием исполнения команд; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня 512 Кб полоноскоростной); микроархитектура Intel® NetBurst™; технология гиперконвейерной обработки; высокопроизводительный блок исполнения команд; потоковые SIMD-расширения 2 (SSE2); улучшенная технология динамического исполнения команд; блок вычислений с плавающей запятой удвоенной точности; процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (400 МГц); разъём Socket 603.
1.2. Процессоры фирмы AMD
1982г. AMD Am 286™ Этот процессор выпускался по лицензии Intel и имел несколько интересных особенностей, таких как эмуляцию EMS, а также способность выхода из protected mode, которой не имели 286'е процессоры Intel. Технические характеристики: тактовая частота: 12-16 МГц.
1983г. AMD Am 386™ DX Практически полный аналог Intel-овской "тройки". Кодовое имя: P9. Технические характеристики: 275000 транзисторов; тактовая частота: 16-32 МГц; процессор 32-разрядный; шина данных 32-разрядная (16- 32Мгц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.
1985г. AMD Am 386™ SX Low-End версия AMD Am 386™ DX. Кодовое имя: P9. Технические характеристики: 275000 транзисторов; тактовая частота: 16-32 МГц; процессор 32-разрядный; шина данных 16-разрядная (16-32Мгц); адресная шина 24-разрядная; общая разрядность: 16.
1991г. AMD Am 486™ DX Процессор со встроенными КЭШем первого уровня и математическим сопроцессором (FPU). Немного отставал по производительности от аналогичного процессора фирмы Intel. Кодовое имя: P4. Технические характеристики: 1,25 млн. транзисторов; тактовая частота: 25-50 МГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32- разрядный; шина данных 32-разрядная (20-50Мгц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.
1993г. AMD Am 486™ DX2 Полностью 32-х разрядный процессор. Кодовое имя: P24. Тех характеристики: 1,25 млн. транзисторов; тактовая частота: 50-66 МГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32- разрядный; шина данных 32-разрядная (25-33 МГц); адресная шина 32- разрядная; общая разрядность: 32.
1994г. AMD Am 486™ DX4 Последняя "четвёрка" от AMD с повышенной тактовой частотой. Кодовое имя: P24C. Тех характеристики: 1,25 млн. транзисторов; тактовая частота: 75-120 МГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32-разрядный; шина данных 32-разрядная (25-40 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.
1995г. AMD Am 586™ Процессор пятого поколения с интегрированным power management-ом. Предназначался для установки на старые материнские платы (под "четвёрки). Кодовое имя: X5. Тех характеристики: 1,6 млн. транзисторов; тактовая частота: 133 МГц; КЭШ первого уровня: 16 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32-разрядный; шина данных 32- разрядная (33 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.
1996г. AMD K5™ (SSA5) Эти процессоры построены по архитектуре x86-to-RISC86, принципиально отличной от архитектуры примененной в процессорах Intel Pentium, но они устанавливаются в тот же разъем Socket 7 на материнских платах и полностью совместимы с процессорами Pentium. Первые процессоры на ядре SSA/5 были недоработанными и сослужили плохую службу реальному K5, вышедшему позже. Для маркировки этих процессоров использовался PR-рейтинг, а не реальная частота. Кодовое имя: SSA5. Технические характеристики: 4,3 млн. транзисторов; технология производства: 0,5 мкм; тактовая частота: 75- 100 МГц; КЭШ первого уровня: 24 Кб (8 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (50-66 МГц); адресная шина 32- разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 7.
1996г. AMD K5™ (5k86) Этот процессор показывал отличную производительность в оффисных приложениях, но имел слабый FPU, впрочем как и предыдущий. Для маркировки этих процессоров тоже использовался PR- рейтинг. Кодовое имя: 5k86. Технические характеристики: 4,3 млн. транзисторов; технология производства: 0,35 мкм; тактовая частота: 90-133 МГц; КЭШ первого уровня: 24 Кб (8 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64- разрядная (60-66 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 7.
1997г. AMD K6® Процессор, построенный по x86-to-RISC86 технологии, может выполнять до 6 инструкций RISC86 одновременно. Он устанавливается в разъем Socket 7 и может быть использован в платах, предназначенных для процессоров Pentium. В отличие от своих собратьев - процессоров Pentium MMX и Cyrix 6x86MX, он программно совместим с процессором Pentium Pro и работает с MMX инструкциями, что делает его сравнимым с процессором Pentium II фирмы Intel. Был создан на базе дизайна процессора 686 от приобретенной AMD компании NexGen. Кодовое имя: K6. Технические характеристики: 888 млн. транзисторов; технология производства: 0835 мкм; тактовая частота: 166-233 МГц; КЭШ первого уровня: 64 Кб (32 Кб на данные и 32 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 7.
1997г. AMD K6® (Little Foot) Этот процессор выпускался по 0.25 мкм технологическому процессу и имел более выскую тактовую частоту, чем предшественник. Кодовое имя: Little Foot. Технические характеристики: 8.8 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 233-300 МГц; КЭШ первого уровня: 64 Кб (32 Кб на данные и 32 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64- разрядная (66 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 7.
1998г. AMD K6®-2 В этом процессоре основными усовершенствованиями являются поддержка дополнительного набора инструкций 3DNow!, который существенно повышает производительность в оптимизированных программах и играх, а также 100-МГц системная шина. Кодовое имя: Chomper XT. Технические характеристики: 9.3 млн. транзисторов; технология производства: 0.25 мкм; тактовая частота: 266- 550 МГц; КЭШ первого уровня: 64 Кб (32 Кб на данные и 32 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64- разрядная (66-100 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 7.
1999г. AMD K6®-III Первый процессор от AMD, имеющий КЭШ-память второго уровня, объединенную с ядром. Представляют собой K6-2 с 256 Кбайт КЭШ-памятью L2 на чипе, работающей на той же частоте, что и ядро процессора. Рекомендуется для установки на материнские платы Super Socket 7, имеющие поддержку AGP. Кодовое имя: Sharptooth. Технические характеристики: 21.3 млн. транзисторов; технология производства: 0.25 мкм; тактовая частота: 350- 500 МГц; КЭШ первого уровня: 64 Кб (32 Кб на данные и 32 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); КЭШ третьего уровня на материнской плате (до 3 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (100 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Super Socket 7.
1999г. Mobile AMD K6®-2 Мобильная версия K6®-2 с технологией PowerNow!™, призванной снижать потребляемую процессором мощность. Технические характеристики: 9.3 млн. транзисторов; технология производства: 0.25 мкм; тактовая частота: 300-500 МГц; КЭШ первого уровня: 64 Кб (32 Кб на данные и 32 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 2 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (100 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 7.
1999г. AMD Athlon™ Первый процессор, архитектура и интерфейс которого отличаются от Intel. После его выхода позиции Intel несколько пошатнулись, т. к. он демонстрировал большую производительность в большинстве приложений, чем Pentium !!! при равных тактовых частотах. Имеет расширенный набор инструкций Enhanced 3DNow!. Кодовое имя: K7, К75 (алюминиевые соединения), К76 (медные соединения). Технические характеристики: 22 млн. транзисторов; технология производства: 0.25-0.18 мкм; тактовая частота: 500-1000 МГц; КЭШ первого уровня: 128 Кб (64 Кб на данные и 64 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 512 Кб, работающий на 1/2, 2/5 или 1/3 частоты процессора; процессорная шина – Alpha EV-6 200 МГц (DDR 100х2); общая разрядность: 32; разъём Slot A.
2000г. AMD Athlon™ Thunderbird Этот процессор выпущен по технологии 0,18 мкм с использованием технологии медных соединений. Первоначально выпускался в форм-факторе Slot A, позднее Socket A. На чипе интегрированы 256 Кбайт КЭШа второго уровня, работающего на частоте процессора. Кодовое имя: Thunderbird. Технические характеристики: технология производства: 0.18 мкм; тактовая частота: 600- 1400 МГц; КЭШ первого уровня: 128 Кб (64 Кб на данные и 64 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); процессорная шина – Alpha EV-6 200-266МГц (DDR 100х2- 133х2); общая разрядность: 32; разъём Slot A, позднее Socket A.
2000г. AMD Duron™ (Spitfire) Low-End версия Athlon™ Thunderbird с урезанным до 64 Кбайт КЭШем второго уровня. Разносит Celeron в "пух и прах", хотя обладает меньшей ценой. Кодовое имя: Spitfire. Технические характеристики: 25 млн. транзисторов; технология производства: 0.18 мкм; тактовая частота: 600-950 МГц; КЭШ первого уровня: 128 Кб (64 Кб на данные и 64 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 64 Кб (полноскоростной); процессорная шина – Alpha EV-6 200МГц (DDR 100х2); общая разрядность: 32; разъём Socket A.
2000г. AMD K6®-2+ Последний процессор из семейства K6® выполнен по 0,18 мкм технологическому процессу, имеет КЭШ-память второго уровня размером 128 Кбайт и технологию PowerNow!™. Технические характеристики: технология производства: 0.18 мкм; тактовая частота: 450-550 МГц; КЭШ первого уровня: 64 Кб (32 Кб на данные и 32 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 3 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (95-100 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Super Socket 7.
2001г. Mobile AMD Duron™ Мобильная версия Duron-а с технологией PowerNow!™. Технические характеристики: технология производства: 0.18 мкм; тактовая частота: 700- 950 МГц; КЭШ первого уровня: 128 Кб (64 Кб на данные и 64 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 64 Кб (полноскоростной); процессорная шина – Alpha EV-6 200МГц (DDR 100х2); общая разрядность: 32. 2001г. AMD Athlon™ 4 Мобильный Athlon™ на новом ядре Palomino, в котрое добавлена поддержка набора инструкций SSE от Intel. Кодовое имя: Palomino. Технические характеристики: технология производства: 0.18 мкм; тактовая частота: 950- 1200 МГц; КЭШ первого уровня: 128 Кб (64 Кб на данные и 64 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); процессорная шина – Alpha EV-6 266МГц (DDR 133х2); общая разрядность: 32; разъём Socket A.
2001г. AMD Athlon™ MP Первый процессор от AMD, расчитанный на работу в двухпроцессорных системах, выполнен на ядре Palomino. Кодовое имя: Palomino. Технические характеристики: технология производства: 0.18 мкм; тактовая частота: 1000- 1600 МГц; КЭШ первого уровня: 128 Кб (64 Кб на данные и 64 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); процессорная шина – Alpha EV-6 266МГц (DDR 133х2); общая разрядность: 32; разъём Socket A.
2001г. AMD Duron™ (Morgan) Этот Duron выполнен на ядре Morgan - урезанном варианте Palomino (КЭШ L2 не 256, а 64 Кбайта). Кодовое имя: Morgan. Технические характеристики: 25.18 млн. транзисторов; технология производства: 0.18 мкм; тактовая частота: 1000-1200 МГц; КЭШ первого уровня: 128 Кб (64 Кб на данные и 64 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 64 Кб (полноскоростной); процессорная шина – Alpha EV-6 200МГц (DDR 100х2); общая разрядность: 32; разъём Socket A.
2001г. AMD Athlon™ XP Версия процессора на ядре Palomino для настольных компьютеров. При маркировке этих процессоров используется не реальная тактовая частота, а индекс производительности, т. е. показывается какому Pentium 4 соответствует данный процессор. Например Athlon XP 2000+ работает на частоте 1666 МГц. В отличии от AMD K5, это реальный показатель и Athlon XP 1900+ действительно не уступает Р4 1900 МГц, а в некоторых приложениях даже превосходит его. Технические характеристики: технология производства: 0.18 мкм; тактовая частота: 1333-1666 МГц; КЭШ первого уровня: 128 Кб (64 Кб на данные и 64 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 64 Кб (полноскоростной); процессорная шина – Alpha EV-6 266МГц (DDR 133х2); общая разрядность: 32; разъём Socket A.
2. Алгоритм работы процессора
2.1. Устройство процессора
Основные функциональные компоненты процессора Ядро: Сердце современного процессора - исполняющий модуль. Pentium имеет два параллельных целочисленных потока, позволяющих читать, интерпретировать, выполнять и отправлять две инструкции одновременно. Предсказатель ветвлений: Модуль предсказания ветвлений пытается угадать, какая последовательность будет выполняться каждый раз когда программа содержит условный переход, так чтобы устройства предварительной выборки и декодирования получали бы инструкции готовыми предварительно. Блок плавающей точки. Третий выполняющий модуль внутри Pentium, выполняющий нецелочисленные вычисления Первичный кэш: Pentium имеет два внутричиповых кэша по 8kb, по одному для данных и инструкций, которые намного быстрее большего внешнего вторичного кэша. Шинный интерфейс: принимает смесь кода и данных в CPU, разделяет их до готовности к использованию, и вновь соединяет, отправляя наружу.
[pic]
Рис. 1 Внутреннее строение процессора
Все элементы процессора синхронизируются с использованием частоты часов, которые определяют скорость выполнения операций. Самые первые процессоры работали на частоте 100kHz, сегодня рядовая частота процессора - 2000MHz, иначе говоря, часики тикают 2000 миллионов раз в секунду, а каждый тик влечет за собой выполнение многих действий. Счетчик Команд (PC) - внутренний указатель, содержащий адрес следующей выполняемой команды. Когда приходит время для ее исполнения, Управляющий Модуль помещает инструкцию из памяти в регистр инструкций (IR). В то же самое время Счетчик команд увеличивается, так чтобы указывать на последующую инструкцию, а процессор выполняет инструкцию в IR. Некоторые инструкции управляют самим Управляющим Модулем, так если инструкция гласит 'перейти на адрес 2749', величина 2749 записывается в Счетчик Команд, чтобы процессор выполнял эту инструкцию следующей.
Многие инструкции задействуют Арифметико-логическое Устройство (АЛУ), работающее совместно с Регистрами Общего Назначения - место для временного хранения, которое может загружать и выгружать данные из памяти. Типичной инструкцией АЛУ может служить добавление содержимого ячейки памяти к регистру общего назначения. АЛУ также устанавливает биты Регистра Состояний (Status register - SR) при выполнении инструкций для хранения информации о ее результате. Например, SR имеет биты, указывающие на нулевой результат, переполнение, перенос и так далее. Модуль Управления использует информацию в SR для выполнения условных операций, таких как 'перейти по адресу 7410 если выполнение предыдущей инструкции вызвало переполнение'.
Это почти все что касается самого общего рассказа о процессорах - почти любая операция может быть выполнена последовательностью простых инструкций, подобных описанным.
2.2. Алгоритм работы процессора
Весь алгоритм работы процессора можно описать в трех строчках
НЦ
| чтение команды из памяти по адресу, записанному в СК
| увеличение СК на длину прочитанной команды
| выполнение прочитанной команды
КЦ
Однако для полного представления необходимо определить логические схемы выполнения тех или иных команд, вычисления величин, а это уже функции Арифметико-логического Устройства
2.2.1. Арифметико-логическое Устройство
На уровне логических схем АЛУ состоит из логических элементов, сумматоров, триггеров и некоторых других элементов.
Логический элемент - электронная схема, реализующая элементарную переключающую функцию. При реализации функций переключения входные переменные соответствуют входным сигналам, а выходной сигнал представляет собой значение функции. Всего существует десять логических элементов, реализующих десять логических (элементарных или сложных) функций.
Логическая схема может реализовать сложную функцию алгебры логики, а может входить в состав другого функционального блока процессора (сумматора, дешифратора, регистра, триггера.)
Триггер - электронная схема с двумя устойчивыми состояниями, предназначенная для хранения одного бита информации. Триггер переходит из одного устойчивого состояния в другое при воздействии некоторого входного сигнала. Триггер имеет вход для установки в состояние 0 (X0) и в 1 (X1). На выходе выдается состояние триггера, которое выдается в прямом (Y) и в инверсном (Y1) виде. В компьютерах используют синхронизируемые и не синхронизируемые триггеры. Синхронизируемый триггер - это триггер, изменение состояния которого осуществляется только в момент подачи сигнала синхронизации V.
[pic] Рис. 2. Схема реализации триггера - защелки на элементах И-НЕ (a) и ИЛИ-НЕ
(b).
Триггер-защелка фиксирует состояние входного сигнала, поданного на один из его входов (рисунок 2.)
[pic]
Рис. 3. Схема реализации RS-триггера на элементах И-НЕ.
RS-триггер - двухвходовый триггер с раздельными входами для установки в 0 или 1 (рисунок 3.) При подачи единичного сигнала на вход R (- X0) триггер переходит в состояние 0 (Y=0, Y1=1), а при подачи на вход S (=X1) единичного сигнала -- в состояние 1 (Y=1, Y1=0). Одновременная подача единичного сигнала на оба входа запрещена. Обычно RS-триггеры бывают синхронизируемыми (вход для синхронизации - V).
[pic]
Рис. 4. Схема реализации T-триггера.
T-триггер - одновходовый триггер со счетным входом: информация подается одновременно на два входа. При подаче сигнала состояние триггера меняется на противоположное (рисунок 4.) Он, как правило, является не синхронизируемым, и позволяет не только хранить информацию, но и осуществлять сложение по модулю 2.
[pic]
Рис. 5. Схема реализации D-триггера.
D-триггер выполняет функцию задержки входного сигнала на один такт синхронизации (рисунок 5.). Сигнал, появившийся на входе D (=X0) в момент времени T, задерживается в нем и появляется на выходе Y в момент времени T+1.
JK-триггер - двухвходовый триггер, допускающий раздельную установку состояния 0 и 1, а также смену текущего состояния (режим со счетным входом), осуществляемую при подаче на оба входа единичного сигнала. Вход K в этом триггере соответствует входу R (=X0) RS-триггера, а вход J - S (=X1).
DF-триггер - двухвходовый триггер, позволяющий по одному входу реализовать режим D-триггера, а по другому -- модифицировать режим работы. Вход D соответствует X1, а F - X0. При F=0 DF-триггер сохраняет текущее состояние. Сигнал F=1 устанавливает триггер в состояние 0. При D=1 и F=1 триггер устанавливается в состояние 1.
Триггеры с неустойчивыми состояниями называются вибраторами. Схема с одним неустойчивым состоянием (триггер Шмидта, одновибратор) генерирует импульсный сигнал определенной длительности. Схема с двумя неустойчивыми состояниями называется мультивибратором и служит для генерации последовательности прямоугольных сигналов. Он используется тактовым генератором.
[pic]
Рис. 6. Реализация регистра.
Регистр - схема для приема, хранения и передачи n-разрядного блока данных Они используются для промежуточного хранения, сдвига, преобразования и инверсии данных. Регистры выполняются на триггерах и логических элементах. Их число и тип определяются разрядностью слова и назначением регистра. Если регистр не требует предварительного сброса данных, (то есть установки всех его ячеек в ноль), то новые данные заменяют в нем старые. Схема регистра показана на рисунке 6.
[pic]
Рис. 7. Реализация одноразрядного сумматора с переносом знака.
В зависимости от способа управления различают несколько типов триггеров: D- (с одним входом), RS- (с двумя входами), T- (со счетным входом), RST- (с двумя входами и счетным выходом) триггеры, и универсальные триггеры: JK- и DF-триггеры.
Целочисленное АЛУ
Целочисленное арифметико-логическое устройство является, наверное, первым универсальным АЛУ. Это АЛУ могло работать с целыми числами и вещественными числами с фиксированной.
Не смотря на большое число команд микропроцессора, это устройство фактически все команды сводит к девяти элементарным операциям. Все оно приведены в таблице. |Элементарные операции целочисленного АЛУ. | |Операция |Обозначение |Количество |Подсистема | | | |операндов |выполнения | |Сложение |+ |2 |Сумматор | |Вычитание |- |3 |Cумматор и регистр | |Логическое умножение, И |^, &, and |2 |Логические схемы | |Логическое сложение, ИЛИ|V, |, or |2 |Логические схемы | |Сдвиг влево |> |2 |Регистр | |Инверсия (НЕ) |!,not |1 |Логические схемы | |Увеличение на 1, |++,inc |1 |Сумматор | |инкремент | | | | |Уменьшение на 1, |--,dec |1 |Сумматор | |декремент | | | |
Именно эти операции выполняются за один такт микропроцессора, и имеют наибольшую скорость выполнения. Фактически все другие операции осуществляются с помощью этих девяти базовых. Так, умножение восьмиразрядных целых чисел A и B выполняются по следующему алгоритму:
1. Обнуляется результат.
2. Если последний разряд числа B - единица, ток результату прибавляется число A.
3. Число A сдвигается на разряд влево, а число B -- на разряд вправо.
4. Повторяются шаги со второго по третий семь раз.
Заметим, что сдвиг влево на 1 разряд соответствует умножению на два, а сдвиг вправо на один разряд - целочисленному делению на два.
Команда изменения знака числа будет следующей:
1. Вначале происходит инверсия числа.
2. После этого производится инкремент результата (т.е. к нему прибавляется единица.)
3. Таким образом число переводится в дополнительный код. Команда определения знака числа основывается просто на проверке самого старшего бита.
АЛУ для чисел с плавающей точкой
При проведении операций с плавающей точкой логика расчетов усложняется. Дело в том, что операции приходится выполнять на числах, имеющих не только разные мантиссы, но и разные порядки. Поэтому перед проведением операций над вещественными числами нужна нормализация, то есть приведение двух вещественных чисел к одному порядку.(обычно большему по величине из двух чисел). Для этих целей в арифметико-логическом устройстве с плавающей точкой отдельно производится действия с порядком, отдельно -- с мантиссой. Нормализация происходит следующим образом:
1. Находится разность порядков большего и меньшего числа.
2. Мантисса меньшего числа сдвигается вправо на число бит, равное разности, полученное на шаге 1.
После этого производятся обычные целочисленные операции с мантиссой. Далее, после получения результата вычислений иногда производится коррекция мантиссы числа с плавающей точкой. Алгоритм коррекции следующий:
1. Убираются все незначащие нули в левой части мантисса. Для этого осуществляется сдвиг влево мантиссы на n разрядов (n -- число незначащих нулей слева.)
2. После этого число n вычитается из порядка.
Как правило, операцию коррекции вызывают принудительно, а не запускают автоматически.
При работе этого устройства необходимо, чтобы ему правильно передавался и порядок, и мантиссу числа. Именно поэтому в большинстве устройств для проведения операций с плавающей точкой все операнды и результаты, а также промежуточные числа хранились в единообразной форме. Обычно ею является формат вещественных чисел с расширенной точностью, длиной 80 бит (10 байт). Преобразованием чисел в этот формат и из этого формата в формат других вещественных и целых чисел осуществляется устройством управления сопроцессора.
2.2.2. Прерывания процессора
При работе процессорной системы могут возникать особые случаи, когда процессор вынужден прерывать работу текущей программы и переходить к обработке этого особого случая, более срочного и важного. Причинами прерывания текущей программы может быть:
. внешний сигнал по шине управления - маскируемых прерываний и немаскируемого прерывания;
. аномальная ситуация, сложившаяся при выполнении команды программы и препятствующую ее дальнейшему выполнению;
. находящаяся в программе команда прерывания. Первая из указанных выше причин относится к аппаратным прерываниям, а две другие - к программным прерываниям. Отметим, что аппаратные прерывания непредсказуемы и могут возникать в любые моменты времени.
С помощью аппаратных прерываний осуществляется взаимодействие процессора с устройствами ввода-вывода ( клавиатурой, диском, модемом и т.п.), таймером и внутренними часами, сообщается о возникновении ошибки на шине или в памяти, об аварийном выключении сети и т.п. При возникновении аппаратного прерывания процессор выявляет его источник, сохраняет минимальный контекст текущей программы (включая адрес возврата), и переключается на специальную программу -- обработчик прерывания ( interrupt handler). Эта программа правильно реагирует на возникшую ситуацию (например, помещает символ с клавиатуры в буфер, считывает сектор с диска и т.п.), что называется 1обслуживанием прерывания. После обслуживания прерывания процессор возвращается к прерванной программе, как будто прерываний не было.
Программные прерывания обычно называются особыми случаями, или исключениями (exception). Особые случаи возникают, например, при делении на ноль, нарушения при защите по привилегиям, превышении длины сегмента, выходе за границу массива. Как правило, предсказать эти исключения невозможно. Однако встречающаяся в программе 1команда прерывания вполне предсказуема и находится под управлением программиста. Реакция процессора на программное прерывание такое же, как и на аппаратное прерывание, однако его обработка производится 1обработчиком особого случая (exception handler).
Все особые случаи квалифицируются на:
Нарушение (fault). Особый случай, который процессор может обнаружить до возникновения фактической ошибки (например -- нарушение правил привилегий). После обработки нарушения можно продолжить программу, осуществив повторное выполнение (рестарт) виноватой команды. Иногда это исключение называют отказом.
Ловушка (trap). Особый случай, который возникает после окончания виноватой программы. После обслуживания ловушки процессор продолжает выполнение программы с команды, находящейся после виноватой. Типичный пример -- команда прерывания INT n в процессорах семейства x86 или прерывание при переполнении.
Авария (abort) -- возникает при столь серьезной ошибке, что контекст программы теряется и продолжать ее невозможно. Причину аварии установить нельзя, поэтому рестарт невозможен и ее необходимо прекратить. Иногда авария называется выходом из процесса.
Обработка всех прерывания и особых случаев происходит, в общем, одинаково и состоит из двух основных этапов. На первом этапе процессор выполняет некоторые "рефлексивные" операции, которые одинаковы для всех прерываний и исключений, и которыми программист управлять не может. На втором этапе запускается созданный программистом обработчик прерывания или исключения. Все служебные действия процессор производит автоматически.
Заключение
Переход на новые технологии изготовления процессоров, разработка новых алгоритмов их работы является перспективным продвижением данной отрасли. По прогнозам ученых скорость процессоров через 10 лет может достичь 20-ти кратного увеличения по сравнению с современными процессорами.
Автоматизм работы процессора, возможность выполнения длинных последовательных команд без участия человека – одна из основных отличительных особенностей ЭВМ как универсальной машины по обработке информации.
Список используемой литературы
1. «Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем», справочник, под ред. В.А. Шахнова, том 2, Москва «Радио и связь», 1998. 2. А.С. Басманов «МП и ОЭВМ», Москва, «Мир», 1998. 3. В.В. Сташин, А.В. Урусов «Программирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах», Москва, «Энергоатомиздат», 2001. 4. «Микропроцессоры», Учебное пособие в 5-ти книгах, под редакцией В.А. Шахнова, Москва «Высшая школа», 1998. 5. «Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2002», Москва «ОЛМА- ПРЕСС» 2002 год.