Процессоры ЭВМ
/p>
2.3 Сопроцессоры.
Специализация сопроцессоров состоит в быстрой обработке чисел с плавающей запятой. Они могут выполнять как обычные операции сложения, вычитания, умножения и деления, так и более
сложные операции, такие как вычисление тригонометрических
функций
Конструктивно заложенные в микропроцессор сигналы, позволяют передавать работу сопроцессору и затем получать результаты обработки. Чтобы использовать арифметический сопроцессор, находящийся в составе компьютера, необходимы программы, которые могут выдавать специальные коды, необходимые для запуска сопроцессора.
Микропроцессоры 8088, 80286, 80386 сконструированы так, что они позволяют использовать арифметические сопроцессоры 8087, 80287, 80387 фирмы "Intel"-соответственно. Более поздние модели микропроцессоров имеют встроенные сопроцессоры.
2.4. Наиболее важные параметры МП
Структуры различных типов МП могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие.
Архитектуру МП определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ использовали МП с 8- разрядной архитектурой, а современные МП основаны на МП с 16 и 32- разрядной архитектурой.
Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной архитектурой используются принципы параллельной работы, при которой одновременно с выполнением текущей команды производятся предварительная выборка и хранение последующих команд. В МП с 32-разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последовательных команд программы.
Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-разрядных МП адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адресующую 68 Кбайт памяти. В 16-разрядные МП, как правило, используются 20-разрядные адресные регистры, адресующие 1 Мбайт памяти. В 32-разрядных МП используются 24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 Мбайт до 4 Гбайт памяти.
Для выборки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных, разрядность которой, как правило, совпадает с разрядностью внутренней шины данных, определяемой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внешней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разрядность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных. Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой имеют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют собой специальные модификации обычных 16 разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощностью.
Одним из важных параметров МП является быстродействие, определяемое тактовой частотой его работы, которая обычно задается внешними синхросигналами. Для разных МП эта частота имеет пределы 0,4...233 МГц и более. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) требует минимально двух периодов тактовых импульсов ( для выборки команды и её выполнения ). Более сложные команды требуют для выполнения до 10 - 20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и записи результата в память.
Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний.
2.5 Команды микропроцессора
Арифметические операции - это такие операции, как
сложение, вычитание, умножение, деление и другие.
Логические операции - это такие операции, как
сравнение, отредактировать и отметить, логическое И и
логическое ИЛИ, исключение, проверка по маске и прочее.
Операции ввода-вывода - это такие операции, как начать,
остановить, опросить устройства ввода-вывода, опросить каналы
и так далее.
Операции переключения состояния - это такие операции,
как проверить и установить, загрузить реальные адреса и так
далее.
2.6 Основной алгоритм работы процессора
Процессор начинает работу после того, как программа записана в память ЭВМ, а в счетчик команд (СК) записан адрес первой
команды программы. Работу процессора можно описать следующим
циклом:
2НЦ
чтение команды из памяти по адресу, записанному в СК
увеличение СК на длину прочитанной команды
выполнение прочитанной команды
2КЦ
После чтения очередной команды процессор увеличивает СК на длину команды. Поэтому при следующем выполнении тела цикла процессор прочтет и выполнит следующую команду программы, потом еще одну и т. д. Цикл закончится, когда встретится и будет выполнена специальная команда "стоп". В итоге ЭВМ автоматически, без участия человека, команда за командой, выполнит всю команду целиком.
Автоматизм работы процессора, возможность выполнения
длинных последовательностей команд без участия человека - одна
из основных отличительных особенностей ЭВМ как универсальной
машины обработки информации.
3. БИС микропроцессоров
Среди отечественных БИС имеется три класса микропроцессорных БИС, отличающихся структурой, техническими характеристиками и функциональными возможностями: секционированные с наращиванием разрядности и микропрограммным управлением; однокристальные микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ с фиксированной разрядностью и системой команд.
Вместе с периферийными БИС , выполняющими функции хранения и ввода-вывода данных , управления и синхронизации, сопряжения интерфейсов и. т. д., микропроцессоры составляют законченные комплекты БИС.
Секционированные микропроцессорные комплекты (МПК) допускают наращивание параметров (прежде всего разрядности обрабатываемых данных) и функциональных возможностей. Секционированные МПК ориентированы в основном на применение в универсальных и специализированных ЭВМ, контроллерах и других средствах вычислительной техники высокой производительности.
МПК на основе однокристальных микропроцессоров и однокристальные микроЭВМ, обладающие меньшей производительностью, но гибкой системой команд и большими функциональными возможностями, ориентированны на широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.
4. Направления в производстве микропроцессоров
На данный момент существует два направления в производстве микропроцессоров. Они различаются в принципах архитектуры. первое направление - это процессоры RISC архитектуры; второе - CISC.
4.1 Микропроцессоры с архитектурой RISC
Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computers) используют сравнительно небольшой (сокращённый) набор наиболее употребимых команд, определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения CISC - процессоров исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объёме оборудования. Арифметику RISC - процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту ( значит, и производительность ) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC - процессоры с самого начала ориентированны на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC - процессорах. В результате чего, RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высоко производительней, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ). Дейв Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC :
1. Любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа.
2. Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины.
3. Операции обработки данных реализуются только в формате “регистр - регистр“ ( операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузкизаписи ).
4. Состав системы команд должен быть “ удобен “ для компиляции операторов языков высокого уровня.
4.2 Микропроцессоры с архитектурой CISC
Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Instruction Set Computers) - архитектура вычислений с полной системой команд. Реализующие на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности ( от простых, характерных для микропроцессора первого поколения, до значительной сложности, характерных для современных 32 -разрядных микропроцессоров типа 80486, 68040 и др.)
5. Обзор некоторых 16- и 32-разрядных микропроцессоров.
.
5.1. Процессоры фирмы Intel.
5.1.1. Первые процессоры фирмы Intel.
За 20-летнюю историю развития микропроцессорной техники, ведущие позиции в этой области занимает американская фир
| |  скачать работу |
Процессоры ЭВМ |
