Характеристики микропроцессоров
Кратко перечислим основные характеристики микропроцессоров:
· быстродействие (тактовая частота, время выполнения "короткой" команды;
· технология (уровень логических сигналов);
· архитектурные особенности: система операций, способы адресации, наличие и организация подсистем прерываний и ПДП, объем и организация СОЗУ, конвейер операций, аппаратная поддержка системы виртуальной памяти и т.п.;
· структурные особенности: количество и назначение шин (стандарт интерфейса), внутренняя структура;
· число источников питания;
· число БИС в комплекте;
В первые десятилетия своего развития микропроцессоры было принято делить на поколения, причем границы поколений (разумеется, весьма условно) проводились по признаку технологии, освоенной на данном этапе эволюции МП. Рассмотрим кратко особенности первых трех поколений МП.
1.4.1. Микропроцессоры 1 поколения. Первый МП был разработан фирмой INTEL и выпущен в 1971г. на основе p-МОП технологии (i4004). В 1972 и 1973 годах этой же фирмой были выпущены модели i4040, i8008. Фирма Rockwell выпустила модели МП PSS-4, PSS-8. Все они могут быть отнесены к МП 1 поколения, характеристиками которого являются:
· разрядность — 4..8 бит;
· быстродействие (RR) — 5..60 мкС;
· тактовая частота — 200..800 КГц;
· совмещение шин адреса и данных;
· число вспомогательных ИС и СИС — 15..50;
· подсистемы прерываний и ПДП — отсутствуют.
Первые МП 1 поколения — 4-разрядные приборы, использовались для организации десятичной арифметики (калькуляторы). Так, i4004 имел 4-разрядное АЛУ с блоком десятичной коррекции, 16 РОНов, внутренний трехуровневый стек. Объем адресного пространства 212 (возможен выбор одного из 4 банков такого размера). Система команд включала 46 команд: пересылки, ввод/вывод, сдвиги, арифметические команды (+ — ФЗ).
В процессе эволюции МП первого поколения (МП-1) имело место увеличение разрядности (до 8) и некоторое расширение функций. Так, в i4040 добавлены логические операции, увеличен массив РОН (до24), введено одноуровневое прерывание. i8008 предназначался прежде всего для использования в системах управления. В нем, по сравнению с i4004, увеличена разрядность (до 8), добавлены логические команды, но исключен блок десятичной коррекции. Все МП-1 выпускались в стандартном 16-выводовом корпусе.
1.4.2. Микропроцессоры 2 поколения. Совершенствование технологии МОП, переход на n-МОП технологию привел к появлению МП второго поколения, которые отличались от МП-1 не только количественными характеристиками, но и качественно. В 1974г. был выпущен МП i8080, который стал первым и наиболее популярным МП второго поколения (МП-2). Он же положил начало семейству однокристальных МП, которому суждено было стать (и оставаться до настоящего времени) доминирующим на мировом рынке МП. Вслед за i8080 другими фирмами были выпущены МП со сходными (иногда несколько лучшими) характеристиками. Наиболее известными являются. Z80 фирмы Zilog и MS6800 (Motorola). Эти МП, как и i8080, имеют своих 16- и 32-разрядных "потомков". Характерными признаками МП-2 можно считать:
· переход на более прогрессивные технологии n-МОП и КМОП, позволившие повысить быстродействие МП до 2..2,5 МГц (200..500 тыс. операций RR), снизить потребление мощности (КМОП);
· значительные архитектурные отличия: расширение системы операций, использование широкого набора способов адресации (прямая, косвенная, относительная, безадресная, непосредственная),введены подсистемы прерываний и прямого доступа в память (ПДП), предусмотрен механизм универсального стека;
· структурные отличия: шины адреса и данных разделены, уменьшено число вспомогательных ИС и СИС.
МП-2 пришли на смену МП-1, значительно расширив сферу применения МП. Правда, МП-1 (по признаку технологии p-МОП) возродились позже в новом качестве — дешевых приборов бытовой электроники.
Другая судьба ожидала МП-2. Появившиеся микропроцессоры третьего поколения (МП-3) стали развиваться параллельно с МП-2, причем МП-2 легли в основу т.н. однокристальных МП и микро-ЭВМ, а МП-3 — секционированных многокристальных МП.
1.4.3. Переход к третьему поколению МП связан со стремлением к увеличению быстродействия МПС и переходом на биполярные технологии — ТТЛ и ТТЛШ.
Исходя из соотношения dE´dt = const,
где dt — время переключения, dE — энергия переключения
очевидно, что повышение быстродействия связано с увеличением рассеиваемой мощности, а следовательно — к снижению степени интеграции кристалла. Первые МП-3 приборы были двухразрядными, что не приводило к увеличению производительности МП, хотя тактовая частота увеличивалась значительно (на порядок). Это обстоятельство повлекло значительные структурные изменения в МП-3 по сравнению с МП-2:
· микропроцессоры выпускаются в виде секций со средствами межразрядных связей, позволяющими объединять в одну систему произвольное число секций для достижения заданной разрядности. В состав секций включалось АЛУ, РОН и некоторые элементы УУ;
· устройство управления вынесено на отдельный кристалл (группу кристаллов), общий для всех процессорных секций;
· за счет резерва внешних выводов (малая разрядность) предусмотрены отдельные шины ввода и вывода данных, адреса, причем данные от разных источников вводились по различным шинам. Так, первый МП-3 i3000 (серия К589 — отечественный аналог) имел три двухразрядные входные шины данных (от памяти, УВВ и УУ) и две выходные шины — данных и адреса;
· кристаллы управления реализуют УУ с программируемой логикой, что позволяет достаточно легко реализовать практически любую систему команд на фиксированной структуре операционного устройства.
1.4.4. Тенденции развития поколений. В настоящее время технология не является решающим фактором классификации МП, ибо появились разновидности технологий одного типа, обеспечивающие очень широкий спектр характеристик МП, широкое распространение получили комбинированные технологии (например, И2Л + ТТЛШ).
Современные микропроцессоры принято разделять на два больших класса : однокристальные и многокристальные. В свою очередь, однокристальные МП можно разделить на собственно микропроцессоры и однокристальные микро-ЭВМ.
Направление развития однокристальных МП — непрерывное наращивание вычислительной мощности процессора за счет увеличения разрядности, расширения системы команд, появления дополнительных функций — Кэш-памяти, конвейера операций, встроенных процессоров плавающей запятой, аппаратной поддержки виртуальной памяти и др.
Однокристальные микро-ЭВМ, сохраняя вычислительную мощность процессора практически неизменной (на уровне 8-разрядного МП), содержат на кристалле все элементы МПС : тактовый генератор, память программ и данных, контроллеры параллельного и последовательного ввода/вывода, контроллеры прерываний, таймеры, а некоторые микро-ЭВМ — АЦП и ЦАП и другие спец. средства (например, динамические схемы управления восьмисегментной индикацией). Такие БИС можно непосредственно подключать к периферийным устройствам для создания микро-ЭВМ или включать в контур управления.
Многокристальные микропрограммируемые МП используются как элементная база "больших" ЭВМ или специализированных средств, для которых характерны нетрадиционные параметры.
На Рис. 1.1 показаны направления развития различных типов МПС.
Рис. 1.1. Микропроцессоры (дерево развития)
Из Рис. 1.1 видно, что наиболее многочисленное (и распространенное в мире) семейство микропроцессоров — INTEL. Далее будем иллюстрировать основные положения курса примерами организации МП этого семейства : однокристальные МП — i8080-i8086-i80286-i80386-i80486-Pentium-PentiumPro; однокристальные микро-ЭВМ — i8035-i8051/52
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
В истории развития микропроцессорной техники выделяют одиннадцать поколений микропроцессоров.
Содержание
Процессоры первого и второго поколения
К этим процессорам относятся МП фирмы Intel 8080, 8086/8088 и 80286. Первым МП, на основе которого стали создавать персональные компьютеры, был МП 8080. Он был 8-разрядным, имел тактовую частоту 2 МГц и содержал 6 тыс. транзисторов. Производительность такого компьютера была невысокой, однако ее оказалось достаточно для успешного применения в качестве контроллера различных приборов, устройств и систем автоматики. В настоящее время этот МП не используется, но вместо него широко применяется 8-разрядный МП 8085, отличающийся значительно меньшей потребляемой мощностью.
Затем фирмой был разработан МП 80186, не получивший распространения, а в 1982 г. – МП 80286, ставший основой компьютера PC АТ, появившегося на рынке в 1984 г. Если МП 8086 содержал 29 тыс. транзисторов, то МП 80286 уже 134 тыс. Этот МП имел ту же разрядность, но более высокие тактовую частоту и объем адресуемой памяти (до 16 Мбайт). Кроме того, МП позволял работать с так называемой виртуальной памятью и поддерживал мультизадачный режим. Если физическая память оказывалась полностью загруженной, то данные, не поместившиеся в память, располагались на винчестере, т.е. процессор работал уже не с реальными, а с виртуальными адресами, которые формировались с помощью специальных таблиц, хранящихся во внутренней регистровой памяти МП.
В мультизадачном режиме процессор выполнял различные программы в отведенные отрезки времени, при этом пользователю казалось, что они выполняются одновременно. В целом производительность МП 80286 более чем в 6 раз превышала производительность МП 8086.
Процессоры третьего поколения
В 1985 г. был представлен 32-разрядный МП Intel 80386, который с учетом более совершенных модификаций базового МП выпускался до 1992 г. Этот МП содержал 275 тыс. транзисторов. Процессор работал с более высокой тактовой частотой (последние модификации – до 33 МГц). Удвоение разрядности адресов обеспечивало адресацию физической памяти до 4 Гбайт, а виртуальной – до 64 Гбайт. Повышение производительности МП потребовало и более быстродействующей памяти, и у МП 80386 впервые была обеспечена работа с внешней кэш-памятью, выполненной на основе быстродействующих статических ЗУ. Для этого на материнской плате компьютера кроме обычных динамических ЗУ размещались микросхемы кэш-памяти и кэш-контроллер.
Выпуском МП 80386 занималась не только фирма Intel, но и многие ее конкуренты – фирмы Chips & Technologies, Texas Instruments, Cyrix. А фирма AMD разработала и выпустила в 1991 г. МП, работающий с тактовой частотой 40 МГц.
Процессоры четвертого поколения
МП Intel 80486, появившийся в 1989 г., содержал уже 1,2 млн транзисторов и в течение долгого времени являлся стандартом для высококлассных компьютеров.
Различия между процессором 80386 и 80486 значительны. Преимущество в производительности нового МП перед предшественником определялось не столько более высокой тактовой частотой, сколько усовершенствованиями в архитектуре. МП 80486 имел расширенный набор из шести команд. В микросхему МП была встроена внутренняя кэш-память для данных и команд, управляемая внутренним контроллером. МП 80486 имел встроенный в микросхему математический сопроцессор, обеспечивавший эффективные вычисления с вещественными числами. Наконец, в МП была реализована конвейеризация вычислений, при которой каждая последующая команда начинала выполняться сразу же после прохождения первой ступени конвейера предыдущей командой.
Фирма Intel последовательно совершенствовала этот МП, выпустив несколько модификаций, в которых работа самого МП осуществлялась с вдвое, а затем и вчетверо большей частотой, чем частота работы в материнской плате (эту возможность обеспечивает наличие внутренней кэшпамяти). Некоторое время он даже конкурировал с МП Pentium.
Пятое поколение ЭВМ (1984 г. — наши дни) можно назвать микропроцессорным. Основными задачами разработчиков здесь являлось создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), возможность ввода информации в ЭВМ при помощи голоса, различных изображений. Это позволило общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальных знаний в этой области. ЭВМ стал помощником человеку во всех областях.
Проект семейства ЭВМ V поколения объединяет 16 процессоров. Это позволит достичь быстродействия в 160*10 6 операций в секунду.
Intel 8086 был создан в 1976 году. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти.
Intel 80286 создан в 1982 году. Этот процессор представлял собой улучшенный вариант 8086.
Intel 80386 был представлен в 1985 году. Это был первый 32-разрядный микропроцессор, в котором использовалась параллельная обработка.
Intel 80486 — в его архитектуре получили дальнейшее развитие идеи параллельной обработки. Устройство декодирования и исполнения команд было организовано в виде пятиступенчатого конвейера, на втором в различной стадии исполнения могло находиться до 5 команд. На кристалл была помещена кэш-память первого уровня, которая содержала часто используемые код и данные. Создание компьютеров на основе процессоров семейства Intel-80486 позволило многочисленное программное обеспечение.
Уверенное положение на компьютерном рынке также занимала фирма Apple Computer с PC Macintosh. Компьютеры выпускались на основе процессоров фирмы Motorola. Эти компьютеры очень удобны при использовании дома, в офисе и для обучения в школе. Последние модели — LC 475, LC 575 и LC 630 — основанные на процессорах Motorola 68LC040, оснащаются дисководом CD-ROM.
Самые производительные компьютеры Macintosh серии Quadra, оснащались процессором 68040 с тактовой частотой до 33 МГц, сопроцессором, имели возможность расширения ОЗУ до 256 Мбайт. Quadra в основном использовались в полиграфическом и рекламном деле, а также в создании мультимедиа-приложений и других задачах, требующих больших вычислительных мощностей и обработки значительных объемов данных; они также подходят для создания программного обеспечения. С 1993 года выпускаются компьютеры подсемейства AV, которые имели стандартный видеовходы и видеовыходы, что давало возможность выводить информацию, как на экран стандартного дисплея, так и на экран обычного телевизора.
Кроме вышеперечисленных моделей Apple Computer выпускает портативные компьютеры серии PowerBook. Наибольшую популярность завоевали компьютеры семейства Performa, которые оснащались факс-модемом, что, было удобно для надомной работы.
В 1993 году компания Intel начала промышленный выпуск нового процессора — Intel Pentium (Intel не стал присваивать ему номер 80586). Первые модели работали на тактовой частоте 60 и 66 МГц и объединяли в себе до 3,3 млн. транзисторов. Pentium — это первый 64-разрядный суперскалярный процессор с RISC-ядром, изготовленный по 0,8-микронной технологии BiCMOS. Его основу составляет два пятиступенчатых конвейера, позволяющих выполнять две команды за один такт. Один конвейер выполнял любые операции, как с целочисленными, так и с числами с плавающей точкой, второй выполняет часть целочисленных команд. Все арифметические действия — сложение, вычитание, умножение и деление — реализованы аппаратно. Сочетание этих решений резко повысило производительность процессора, ускорить вычисления за счёт уменьшения обращений к ОЗУ. Обеспечивают два внутренних буфера кэш-памяти — по 8 Кбайт для команд и данных, что позволило работать контейнерам команд не только по чтению, но и по записи. Следующая новинка — система предсказываний ветвлений, благодаря которой при переходе в области памяти запоминается адрес перехода и при повторном обращении переход по этому адресу происходит быстрее.
Впоследствии появились модели с частотой 90 и 100 МГц. Однако вскоре обнаружилась ошибки в устройстве деления, и компании Intel пришлось опубликовать подробное описание этого дефекта. После этого скандала практически все процессоры Pentium стали тестировать, и в прайс-листах появилась надпись BUG FREE!, что буквально можно перевести как «свободно от ошибок».
Появление микропроцессора Pentium Pro разделило рынок на два сектора — высокопроизводительных рабочих станций и дешевых домашних компьютеров. В процессоре Pentium Pro были реализованы самые передовые технологии.
Intel Pentium II объединил в себе все технологические достижения обоих направлений развития архитектуры Pentium. Кроме этого он имел новые конструктивные особенности, в частности, его корпус выполнен в соответствии с новой технологией изготовления корпусов.
Intel Pentium III поддерживает все достижения своих предшественников, главное его достоинство — наличие новых 70 команд, Эти команды дополняют группу MMX-команд, но для чисел с плавающей точкой. Для поддержки этих команд в архитектуру процессора был включен специальный блок.
Рисунок 2 -Микропроцессоры 4го — 5го поколений
