Процессор имеет площадь кристалла 217 мм', потребляет 52 Вт при частоте 1500 МГц, содержит 42 миллиона транзисторов. На базе Pentium 4 можно создать высокоэффективную ММХ-систему, но для этого необходимо наличие:

? программного обеспечения, ориентированного на использование дополнительных команд этого процессора;

? системной платы с чипсетами, поддерживающими данные микропроцессоры. В 2002-2003 годах корпорация Intel представила:

? семейство МП Pentium Ш Tualatin на основе технологии 0,13 мкм с улучшенными по сравнению с Coppermine характеристиками (тактовые частоты до 1266 МГц, кэш-память 1 2 емкостью до 512 Кбайт, работающая на частоте микропроцессора, с поддержкой частоты системной шины (FSB) до 133 МГц). Выпускаются МП 3-х видов: для портативных и настольных компьютеров и для серверов;

? МП Celeron с тактовыми частотами 2,3 и 2,4 ГГц, изготовленные по технологии 0 13 мкм и поддерживающие FSB = 400 МГц;

? новое поколение МП Pentium 4, поддерживающее FSB = 800 МГц с собственными тактовыми частотами 3,0 и 4,3 ГГц и системный чипсет i875 для этих МП;

? технологию Intel Centrino для портативных компьютеров с компонентами: МП Pentium М, системный чипсет i855 и средства беспроводного доступа по протоколу IEEE 802.11Ь --Intel PRO/Wireless.

Intel обещала выпустить также другие МП: в 2003 году по технологии 0,09 мкм, а в 2005 году -- по технологии 0,065 мкм и довести тактовую частоту МП до 20 ГГц.

3.7 Микропроцессоры Over Drive

Интерес представляют МП Over Drive, по существу являющиеся своеобразными сопроцессорами, обеспечивающими для МП 80486 режимы работы и эффективное быстродействие, характерные для МП Pentium, а для МП Pentium -- увеличение их производительности (в частности, Over Drive 125, 150 и 166 соответственно для Pentium 75, 90 и 100, увеличивающие их внутреннюю частоту до указанных для Over Drive величин).

3.8 Микропроцессоры типа RISC

Микропроцессоры типа RISC содержат только набор простых, чаще всего встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых. В этих МП все простые команды имеют одинаковый размер и на выполнение каждой из них тратится 1 машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISC обычно тратится 4 такта). Один из первых МП типа RISC -- ARM (на его основе был создан ПК IBM PC RT): 32-разрядный МП, имеющий 118 различных команд. Современные 64-разрядные RISC-микропроцессоры выпускаются многими фирмами: Apple (PowerPC), IBM (РРС), DEC (Alpha), НР (РА), Sun (Ultra SPARC) и т. д.

Микропроцессоры PowerPC (Performance Optimized With Enhanced РС) весьма перспективны и уже сейчас широко применяются в машинах-серверах и в ПК типа Macintosh. Микропроцессоры PowerPC имеют тактовую частоту до нескольких ГГц, а микропроцессоры Alpha -- тактовую частоту больше 2 ГГц. Микропроцессоры типа RISC характеризуются очень высоким быстродействием, но они программно не совместимы с CISC-процессорами: при выполнении программ, разработанных для ПК типа IBM РС, они могут лишь эмулировать(моделировать, имитировать) МП типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности.

3.9 Микропроцессоры типа VLIW

Это новый и весьма перспективный тип МП. Микропроцессоры типа VLIW выпускают фирмы Transmeta -- это микропроцессор Crusoe моделей ТМ3120, ТМ5400, ТМ5600 (технология 0,18 мкм, тактовые частоты до 700 МГц), Intel-- модель Mersed (торговая марка Itanium, 800 МГц) и Hewlett -- Packard -- модель McKinley. Следует заметить, что при более глубоком анализе технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing -- вычисления с явной параллельностью инструкций), которой придерживаются фирмы Intel и НР, незначительно отличается от технологии VLIW, принятой за основу фирмой Transmeta. Но эти отличия несущественны, поэтому микропроцессоры VLIW и EPIC можно отнести к одной группе.

МП Merced -- первый процессор, использующий полный набор 64-битовых инструкций (Intel Architecture-64, IA-64; именно эта технология называется ЕР1С). Микропроцессор с тактовой частотой 1200 МГц изготавливается по технологическим нормам 0,18 мкм. К VLIW-типу можно отнести и ожидавшийся в 2002 году МП Elbrus 2000 -- E2k, разработанный российской компанией «Эльбрус». И хотя E2k пока существует в виде компьютерной модели, этот процессор оставил «российский след» в американских проектах -- о схожести определенных черт E2k и процессора Crusoe компании Transmeta, а также архитектуры IA-64 (Intel и НР) много писалось в прессе.

Программисты доступа к внутренним VLIW-командам не имеют: все программы (даже операционная система) работают поверх специального низкоуровневого программного обеспечения (Code Morphing), которое ответственно за трансляцию команд CISC-микропроцессоров в команды VLIW. МП типа VLIW вместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных микропроцессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты МП и потребление энергии (эти МП иногда называют «холодными»).

Архитектура CISC появилась в 1978 году. Тогда процессоры представляли собой скалярные устройства (то есть могли в каждый момент времени выполнять только одну команду), при этом конвейеров практически не было. Процессоры содержали десятки тысяч транзисторов. МП RISC были разработаны в 1986 году, когда технология суперскалярных конвейеров только начала развиваться. Процессоры содержали сотни тысяч транзисторов. В конце 90-х наиболее совершенные процессоры уже содержат миллионы, десятки миллионов транзисторов. Первые МП архитектуры IA-64 содержат десятки миллионов транзисторов. В дальнейших модификациях их число, вероятно, увеличится до сотен миллионов.

Архитектура IA-64 не является ни 64-разрядным расширением архитектуры CISC, ни переработкой архитектуры RISC. IA-64 представляет собой новую архитектуру, использующую длинные слова команд (LIW), предикаты команд (instruction predication), исключение ветвлений (branch elimination), предварительную загрузку данных (speculative loading) и другие ухищрения для того, чтобы обеспечить больший параллелизм выполнения программ. Но, тем не менее, IA-64 -- это компромисс между CISC и RISC, попытка сделать их совместимыми: существуют два режима декодирования команд -- VLIW и старый CISC. Программы автоматически переключаются в необходимый режим исполнения. Для работы с VLIW операционные системы должны содержать и 64-разрядную часть на IA-64, и старую 32-разрядную.

Все новые МП создаются на основе технологий, обеспечивающих формирование элементов с линейным размером порядка 0,015 мкм и ниже (традиционные МП 80486 и Pentium использовали 0,8-мкм элементы).

Уменьшение размеров элементов обеспечивает возможность:

? увеличения тактовой частоты МП до сотен мегагерц и выше;

? уменьшения перегрева МП, что позволяет использовать пониженное напряжение питания 1 -- 2 В (вместо 5 В).

4. Методы повышения производительности процессоров

В настоящее время нужна высоkая производительность информационных систем, kоторая позволит отkрыть новые возможности информационных технологий. Под производительностью процессора понимают то kоличество операций, kоторые он сможет выполнить за единицу времени.

Производительность процессора зависит от двух фаkторов во-первых, от того, сkольkо таkтов совершает процессор за сеkунду, а во-вторых, сkольkо таkтов процессор тратит на выполнение одной операции. Таk первые процессоры операцию умножения выполняли через сложение, что требовало много времени, но уже через пару лет процессоры "научились" умножать за один таkт. Более того, если раньше стоял вопрос о том, чтобы выполнять операции за минимальное kоличество таkтов, то сейчас думают о том, чтобы за один таkт выполнить несkольkо операций (по мере возможности).

4.1 Суперскалярная архитектура

Программные инструкции (команды) обрабатываются электронными схемами, называемыми операционными блоками или исполнительными устройствами. Термин суперскалярная архитектура означает одновременное использование нескольких операционных блоков, что позволяет центральному процессору выполнять несколько инструкций за один машинный такт (цикл). Например, в процессоре Pentium Pro используются два операционных конвейера (их называют «U» и «V»). Это является формой многопроцессорности внутри самого центрального процессора, поскольку несколько часто выполняемых операций выполняются параллельно несколькими устройствами. Большинство современных процессоров являются суперскалярными на том или ином уровне. За счет сочетания конвейерной обработки команд с несколькими операционными блоками в суперскалярной архитектуре центрального процессора удается достигать чрезвычайно эффективного использования каждого машинного такта.

4.2 Конвейерная обработка

Центральный процессор обрабатывает команды и генерирует результат их выполнения посредством сложных серий переключений транзисторов внутри самого кристалла процессора (также как и в случае любой другой логической микросхемы). Первые процессоры выполняли последовательно одну команду за другой. Каждая команда выбиралась из памяти и полностью выполнялась, затем выбиралась следующая команда. Обработка могла занимать несколько машинных тактов (в зависимости от команды). Простые команды могли выполняться за 2 или 3 такта, а сложные команды требовали для своего выполнения от 2 до 7 тактов.

Конвейерная обработка (командный конвейер) позволяет начинать обработку следующей команды еще до окончания выполнения текущей команды. Таким образом, центральный процессор за один машинный такт может обрабатывать несколько команд.

Иными словами, в каждый такт в конвейере могут находиться несколько команд. Конвейерный метод обработки обеспечивает загрузку операционных блоков, не занятых обработкой текущей команды. В то же время центральный процессор может выдавать в каждом такте результат обработки только одной команды.

4.3 Суперконвейер

Как было сказано выше, команды обрабатываются в конвейере, каждая часть которого выполняет определенную операцию над командой. Если сделать конвейер более длинным (увеличить количество шагов обработки команды), то на каждом шаге обработки будет выполняться меньше работы (а значит и за меньший промежуток времени) и можно будет увеличить тактовую частоту процессора. Такая технология известна под названием суперконвейера и является усовершенствованием простого конвейера. Длина суперконвейера составляет до 10 шагов. Процессоры Intel Pentium 4 используют гиперконвейер длиной в 20 шагов. Увеличение длины конвейера накладывает ограничение на программу -- чтобы исполняться наиболее эффективным образом, компиляторы должны учитывать особенности конвейерной архитектуры процессоров.

4.4 Спекулятивное выполнение и предсказание переходов

Некоторые процессоры обладают способностью одновременного выполнения нескольких команд. В ряде случаев не все результаты обработки этих команд будут использоваться, поскольку ветвление программы может привести к тому, что часть уже загруженных в конвейер команд не должна была исполняться. Такое часто наблюдается на участках программ вблизи команд условных переходов -- где проверяется некоторое условие, и дальнейшее выполнение программы зависит от проверки выполнения этого условия (условный оператор в любом языке программирования). Ветвление программы представляет реальную проблему для конвейера команд, поскольку нет гарантии в том, что программа будет далее выполняться линейно (т.е. не будет выполнена команда перехода на другую часть программы). Менее «интеллектуальные» процессоры останавливают конвейер до того момента, когда будет известен результат проверки условия ветвления программы, что приводит к падению производительности. Более совершенные процессоры будут продолжать обрабатывать конвейер команд в предположении, что выполнение программы продолжится без ветвления.

Еще более совершенные процессоры обладают способностью предсказывать ветвление программы (с достаточно хорошей точностью) на основе анализа предыдущей истории выполнения данного участка программы. Механизм предсказания программных переходов улучшает обработку ветвлений программы. При этом используется специальная небольшая кэш-память, называемая целевым буфером ветвлений. Когда процессор обрабатывает команду перехода, то он запоминает информацию о ней в этой памяти. Если процессор в следующий раз встретит эту команду перехода, то он может уже «догадаться» (на основе записанной информации) о направлении ветвления программы в этом месте. Это позволяет не останавливать конвейер и повышает производительность процессора.

4.5 Динамическое выполнение команд

Даже самый быстрый процессор выполняет команды в том порядке, в котором они располагаются в конкретной программе. Это означает, что неправильно или неэффективно написанная программа будет снижать производительность центрального процессора. Во многих случаях даже хорошо написанная программа ухудшается в процессе ее трансляции в машинные команды. Метод динамического исполнения позволяет процессору оценивать последовательность команд программы и «выбирать» лучшую последовательность обработки команд. Например, команда 2 может быть выполнена раньше окончания обработки команды 1. Результаты же выполнения команд располагаются в первоначальномпорядке для обеспечения правильного выполнения программы. При неграмотном написании программы такое выборочное переупорядочивание команд позволяет процессору лучше использовать свои ресурсы, что повышает его производительность.

4.6 Переименование регистров и буфера записи

Методика переименования регистров используется для организации нескольких процессов обработки команд различными операционными блоками, пытающимися использовать одни и те же регистры. Вместо того чтобы довольствоваться единственным набором регистров, используется несколько наборов регистров. Это позволяет различным операционным блокам работать одновременно, без ненужных приостановок в работе конвейера. Буфера записи используются для хранения результатов выполнения команд до тех пор, пока эти результаты не будут опять переписаны в регистры или в память. Чем больше буферов записи, тем больше команд могут выполняться без остановки конвейеров.

4.7 Многопроцессорность

Многопроцессорность -- это методика организации работы нескольких процессоров в одной системе. Идея состоит в удвоении производительности системы при использовании двух процессоров вместо одного, или повышении производительности в 4 раза при использовании 4-х процессоров и т.д. На практике дело обстоит не так просто, но в определенных условиях многопроцессорность улучшает производительность системы. Для эффективного использования многопроцессорности главный компьютер должен удовлетворять следующим требованиям:

· Поддержка со стороны системной платы. Системная плата должна располагать дополнительными процессорными разъемами для установки нескольких процессоров, а комплект микросхем должен обеспечивать управление многопроцессорной конфигурацией.

· Поддержка со стороны процессора. Процессоры должны быть приспособлены для работы в многопроцессорных системах. Для подбора соответствующих процессоров необходимо обратиться за помощью к документации на системную плату.

· Поддержка со стороны операционной системы. Многопроцессорные системы обслуживают такие операционные системы как Windows NT/2000/XP или UNIX. Windows 98 не поддерживает многопроцессорность.

Многопроцессорные компьютеры хороши для выполнения на них специального прикладного программного обеспечения. Многопроцессорный компьютер работает под управлением операционной системы, которая распределяет различные задачи по разным процессорам компьютера. Прикладные программы, написанные для многопроцессорного компьютера, должны состоять из отдельных потоков, которые могли бы выполняться независимо друг от друга. Это дает возможность операционной системе запускать их на разных процессорах одновременно и за счет этого увеличивать производительность компьютера в целом. Если же прикладное программное обеспечение не отвечает требованиям многопроцессорной системы, то такая система не даст преимущества (хотя операционная система сможет использовать дополнительные процессоры в том случае, когда необходимо выполнять несколько приложений одновременно).

Многопроцессорные системы могут быть асимметричными или симметричными. Эти термины характеризуют то, как операционная система распределяет задачи между процессорами компьютера. В асимметричных системах некоторые процессоры заняты выполнением только системных задач, а другие процессоры выполняют только прикладные программы. При жестком распределении процессоров по типам задач наблюдается снижение производительности в те периоды, когда компьютеру необходимо выполнять больше системных задач, чем прикладных или наоборот. Симметричная многопроцессор ность (SMP -- symmetric multiprocessing) позволяет на любом процессоре выполнять любые задачи -- системные или прикладные. Это более гибкий подход построения многопроцессорных систем, и он позволяет достичь большей производительности. Большинство многопроцессорных системных плат для персональных компьютеров предназначены для построения симметричных многопроцессорных систем.

Для того чтобы процессор мог работать в многопроцессорном компьютере в режиме SMP, он должен поддерживать многопроцессорный протокол, который определяет способ общения процессоров друг с другом и с системным комплектом микросхем. Процессоры Intel используют протокол SMP под названием «АР1С», а комплекты микросхем Intel, которые поддерживают многопроцессорность, разработаны для реализации этого протокола. Протокол APIC является патентованным стандартом компании Intel. Поэтому хотя процессоры AMD и Cyrix и являются совместимыми с процессорами Intel, они не могут использовать этот протокол в SMP-конфигурациях. Компании AMD и Cyrix разработали свой собственный SMP-протокол под названием «ОрепР1С».

4.8 Hyper-Threading

Intel объединила технологии гиперконвейера и многопроцессорности в одной из своих последних разработок -- технологии Hyper-Threading1 (НТ). Процессоры с использованием НТ ведут себя как два независимых процессора. При этом они могут параллельно выполнять два потока команд за счет большой длины конвейера. Конечно, при этом производительность процессора не удваивается, но за счет сокращения простоя отдельных блоков процессора удается поднять производительность не менее чем на 30-40%, что дает существенный прирост в многозадачной среде. Следует заметить, что использование НТ может и снизить производительность, если оба виртуальных процессора будут все время конкурировать за исполнительные устройства единственного физического процессора. В частности, в некоторых случаях использование НТ может снизить производительность Microsoft SQL Server.

4.9 Мультимедийные расширения

С увеличением количества мультимедийных программ (графических приложений, презентаций и т.п.) для проведения интенсивных вычислений стало не хватать пропускной способности процессора. Возникла потребность в увеличении скорости выполнения некоторых вычислительных операций, необходимых для выполнения мультимедийных и коммуникационных приложений. В то время как эти операции составляют не более 10% объема программы, их выполнение занимало до 90% времени. Компании Intel и AMD стали состязаться в создании лучших «мультимедийных расширений» для своих процессоров.

ММХ. В 1996 году компания Intel ввела в процессоры семейства Pentium (назвав их «Pentium ММХ») реализацию 57 новых команд, назвав их мультимедийными расширениями (ММХ -- multimedia extensions). ММХ-команды обрабатывают несколько элементов целочисленных данных параллельно, используя метод под названием «одна команда -- много данных» (SIMD -- Single Instruction Multiple Data). С помощью этой технологии процессор может обрабатывать одновременно большое количество данных, за счет чего уменьшается время обработки видео и звуковой информации, присутствующей в мультимедийных приложениях. Следующие модели процессоров Intel (Pentium I I/I I I/I V и Celeron) также поддерживают обработку набора ММХ^команд. Команды ММХ наиболее эффективны при обработке 2-х мерных изображений и звука.

III. История развития IBM PC.Архитектура микропроцессоров

1. История развития IBM PC

История компании восходит к концу 19 века, когда немецкий иммигрант Герман Холлерит, работавший в американском Бюро переписи населения, предложил автоматизировать статистический учет иммигрантов с помощью перфорированных карточек. Изобретенная им электрическая машина для обработки данных оказалась удачным образцом, и в 1896 Холлерит основал фирму под названием Tabulating Machine Co.

15 июня 1911 эта компания была объединена с двумя другими фирмами, специализировавшимися на автоматизации обработки статистических данных. Объединенная компания стала называться Computing Tabulating Recording (CTR). Она сумела завоевать свой сектор рынка и через некоторое время в Вашингтоне, Детройте, Торонто и Дейтоне открылись ее филиалы.

В 1914 генеральным менеджером CTR стал Томас Уотсон-старший, с именем которого связаны основные достижения компании в 1920-1940-е годы. К 1919 оборот компании удвоился и достиг 2 млн. долларов. Поскольку машины от CTR нашли сбыт в Европе, Южной Америке, Азии и Австралии, в 1924 CTR была переименована в International Business Machines (IBM).

2.Архитектура IBM

2.1 Процессор

В качестве процессора используются микропроцессоры фирмы Intel семейства х86, а также их аналоги от других производителей. Первые модели (PC, PC XT) использовали процессор i8088, более сосершенная AT-i80286. Замечательным был тот факт,что все последующие (более совершенные) модели процессоров были полностью совместимы с предыдущими, т.е. поддерживали все функции своих предшественников

2.2 BIOS

Это очень эффективная "придумка" от инженеров IBM, которая позволяет осуществлять поддержку основных компьютерных систем и периферийных устройств. Базовая система ввода-вывода содержит программные ресурсы, обеспечивающие надежную работу с компонентами системы и организующие связь с периферйными блоками.

2.3 Конфигурирование

Еще одно инновационное решение от IBM- компьютер во время включения мог «самонастраиваться» на существующую конфигурацию. В первых моделях (PC, PC XT) сведения о составе оборудования и режимах его работы задавались при помощи специальных перемычек на материнской плате. При помощи специальных программ сигналы с этих перемычек считывались и выполнялась настройка системы на заданную конфигурацию.

Начиная с PC AT конфигурирование задавалось при помощи:

· программы Setup BIOS;

· энергонезависимой КМОП-памяти.

2.4 Начальная загрузка

После подачи питания вся компьютерная система приводится в исходное состояние при помощи специальной программной процедуры BIOS. Выполняются действия по настройке и проверке рабочих режимов базовых компонентов системы. После выполнения этих действий управление передается операционной системе, которая управляет дальнейшей загрузкой компьютера.

2.5 Адреса памяти и устройств ввода-вывода

Компьютер имеет два адресных пространства:

· адреса памяти;

· адреса устройств ввода-вывода.

Это обусловлено особенностями архитектуры микропроцессоров семейства x86. Для обращения к этим адресам используются различные команды и различные управляющие сигналы.

Первые системы PC, PC XT имели 1 Мб (16 линий адреса) памяти. Позднее его расширили до 16 Мб (20 линий адреса), еще позже - до 4 Гб (32 адресных линии).

В пространстве памяти размещены ОЗУ и ПЗУ. Оперативная память в свою очередь разделена еще на несколько участков, имеющих различные свойства.

Адресное пространство устройств ввода-вывода равно 64 Кб (16-разрядная адресация). Но используются только 10-разрядные адреса (1 Кб - 1024 адреса). Распределение адресов устройств ввода-вывода приведено в таблице ниже.

Адресное поле	Устройство	Адресное поле	Устройство
000-00F	Контроллер DMA 1	2E0-2E7	Дополнительное поле адресов COM 4
010-01F		2E8-2EF	COM 4
020-021	Контроллер прерываний 1	2F8-2FF	COM 2
040-05F	Таймер	338-33F	Дополнительное поле адресов COM 3
060	Регистр данных клавиатуры (в ХТ)	370-377	Контроллер FDD 2
061	Источник NMI, управление звуком	376-377	Управление IDE 2
064	Контроллер клавиатуры (в АТ)	378-37F	LPT 1
070-07F	CMOS, маска NMI	380-38F	Синхронный адаптер SDLC (BSC 2)
080-08F	Регистры страниц DMA	3A0-3AF	Синхронный адаптер BSC 1
090-097	PS/2 микроканал	3B0-3BB	Адаптер MDA
0A0-0BF	Контроллер прерываний 2	3BC-3BF	LPT на плате MDA
0C0-0DF	Контроллер DMA 2	3C0-3CF	Адаптер EGA
0F0-0FF	Сопроцессор 287	3D0-3CF	Адаптер CGA
100-1EF	PS/2 управление микроканалом	3C0-3DF	Адаптер VGA (перекрывает адреса EGA и CGA)
170-177	IDE 2	3E0-3E7	Дополнительное поле адресов COM 3
1F0-1F7	IDE 1	3E8-3EF	COM 3
200-207	Игровой адаптер	3F0-3F7	Контроллер FDD 1
238-23F	Дополнительное поле адресов COM 4	3F6-3F7	Управление IDE 1
278-27F	LPT 2	3F8-3FF	COM 1
2C0-2DF	EGA 2

2.6 Системный регистр

На входы системного регистра поступают сигналы от подключенных устройств, а на его выходе вырабатываются соответствующие управляющие сигналы.

Первоначально на системный регистр возлагались следующие задачи:

· ввод информации о конфигурации системы;

· ввод данных с клавиатуры;

· управление динамиком;

· управление процессом подачи немаскируемых прерываний (NMI).

Позднее первые две функции были сняты с системного регистра, а электронные компоненты системного регистра были интегрированы в чипсет, в результате понятие «системный регистр» утратило свою актуальность.

2.7 Аппаратные прерывания

Аппаратные прерывания позволяют определенным устройствам прерывать «нормальный ход» исполняемой программы и получать внеочередное право на программное обслуживание.

Изначально блок прерываний (микросхема i8259) имел 8 входов запроса и мог обслуживать до 8 устройств.

В системе PC AT был включен второй блок прерываний, число запросов возросло до 15 + 1 запрос для выбора блока. Контроллеры прерываний находятся в адресном пространстве устройств ввода-вывода.

2.8 Канал прямого доступа к памяти

DMA (Direct Memory Access) - позволяет вести обмен данными между памятью и устройствами ввода-вывода напрямую, минуя центральный процессор. Изначально было 4 канала передачи (микросхема i8237), один из которых использовался для регенерации памяти.

В системе PC AT был добавлен второй контроллер прямого доступа и стал возможным блочный механизм обмена данными. Контроллеры прямого доступа находятся в адресном пространстве устройств ввода-вывода.

2.9 Системный таймер

Предназначен для отсчета временных интервалов. Изначально построен на основе трехканальной схемы программируемого таймера счетчика схемы i8253 (в PC AT - i8254). Находится в адресном пространстве устройств ввода-вывода.

2.10 Системная шина

Т.к. открытая архитектура IBM предполагает блочно-модульную компоновку системы, состоящую из многих компонентов, то для информационного обмена между компонентами системы была выбрана системная шина ISA (Industry Standard Architecture).

Изначально использовалась 8 разрядная шина, позже - 16-разрядная (16 линий адресов, 24 линии данных).

Для соединения блоков компьютера используются системные разъемы, к которым подключается шина. Технические детали системных разъемов строго регламентированы, что обеспечивает полную аппаратную и программную совместимость различных систем ПК.

2.11Канал параллельной передачи данных - LPT

Через канал LPT подключаются разнообразные периферийные устройства - принтеры, сканеры, внешние накопители.

За системную поддержку параллельных портов отвечает BIOS Int 17h. Он выполняет поиск имеющихся портов, их инициализацию, опрос состояния подключенных устройств, прием и передачу информации. Сервис поддерживает до трех портов - LPT 1, LPT 2, LPT 3.

Обмен данными с подключенными устройствами может вестись в однонаправленном (SPP) или двунаправленном (EPP, ECP) режимах.

Для параллельных портов используются прерывания IRQ 5 и IRQ 7. Параллельный порт, как правило, встраивается в материнскую плату. В большинстве случаев система имеет один параллельный порт.

2.12 Канал последовательной передачи данных - COM

Предназначен для ведения последовательного асинхронного обмена по стандарту RS-232C.

Системная поддержка ведется при помощи BIOS Int 14h. Он выполняет поиск имеющихся портов, их инициализацию, опрос состояния подключенных устройств, прием и передачу информации. Сервис поддерживает до четырех портов - COM 1, COM 2, COM 3, COM 4.

Для последовательных портов используются прерывания IRQ3 и IRQ 4.

Последовательный порт, как правило, встраивается в материнскую плату.

2.13 Игровой порт

Название говорит само за себя. Игровой порт служит для подключения игровых устройств - джойстика, игрового руля и проч. Интерфейс порта поддерживает 4 сигнала от координатных датчиков и 4 линии от кнопок.

2.14 Видеосистема

Изначально, когда количество видеорежимов было ограниченным, компьютер использовал поддержку видеосистем типа MDA и CGA. BIOS Int 10h идентифицировал тип системы, устанавливал видеорежим, осуществлял вывод информации на экран монитора. Позже появились видеосистемы типа EGA и VGA. Специально под них был разработан блок ПЗУ, содержащий расширение BIOS. В Video BIOS включены все программные средства, осуществляющие аппаратные настройки видеоконтроллера.

2.15 Клавиатура

Изначально клавишная матрица включала 83/84 кнопки. Нажатие кнопки вызывало формирование скан-кода, который передавался на входной порт системного регистра, после чего формировался код нажатой клавиши и передавался для дальнейшей обработки компьютерной системой.

В более поздних системах обработку данных клавиатуры производит специализированных контроллер (микросхема i8042). Количество клавиш увеличено до 101/102, при этом полностью сохранена совместимость с предыдущей версией.

Процесс развития архитектуры персональных компьютеров показал жизнеспособность одних решений, которые получили свое развитие в дальнейшем с одной стороны, и с другой, те решения, которые утратили свою актуальность канули в небытие. Например, утратили свою актуальность:

· современные процессоры используют принципиально новую архитектуру;

· системная шина ISA больше не используется;

· устарели первоначальные версии BIOS;

· пропускная способность портов COM, LPT оказалось недостаточной.

На смену устаревшим аспектам пришли новые:

· новые процессоры значительно повысили свою производительность, сохранив при этом полную совместимость с ранними версиями;

· появились более производительные системные шины - VLB, PCI, PCI-Express;

· появились новые порты с гораздо большей пропускной способностью - USB, Fire-Wire;

· современные системы расширены поддержкой новых сервисов - аудио, 3D, поддержка сети и проч.

· Но, несмотря на такое серьезное обновление и прогресс, базовые компоненты системы сохранились в первозданном виде и не претерпели переделок, обеспечив тем самым полную совместимость новых версий со старыми.

3. Архитектура микропроцессоров

3.1 Классификация процессоров

По числу больших интегральных схем (БИС)

Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).

Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ).

Однокристальные микропроцессоры

Они получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсный процессор позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.

Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора.

Многокристальные секционные микропроцессоры

Они получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 1,б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства "стыковки".

Для создания высокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиении структуры микропроцессора горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой из них в виде БИС. Все они образуют комплект секционных БИС МП.

Таким образом, микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность "наращивания" разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при "параллельном" включении большего числа БИС.

Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронных технологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальные секционные БИС МП на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов. Использование многокристальных микропроцессорных высокоскоростных биполярных БИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности.

По назначению

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.

Разработанные однокристальные конвольверы используются в устройствах опознавания образов в тех случаях, когда возможности сбора данных превосходят способности системы обрабатывать эти данные.

По виду обрабатываемых входных сигналов

Сами микропроцессоры - цифровые устройства, однако, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.

Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.

Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.

По характеру временной организации работы

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

В зависимости от набора и порядка выполнения команд

CISC (complex instruction set command) есть традиционная архитектура, в которой центральный процессор использует микропрограммы для выполнения исчерпывающего набора команд. Они могут иметь различную длину, методы адресации и требуют сложных электронных цепей для декодирования и исполнения. В течение долгих лет производители компьютеров разрабатывали и воплощали в изделиях все более сложные и полные системы команд. Однако анализ работы процессоров показал, что в течение примерно 80 % времени выполняется лишь 20 % большого набора команд. Поэтому была поставлена задача оптимизации выполнения небольшого по числу, но часто используемых команд.

В 1974 г. John Cocke (IBM Research) решил испробовать подход, который мог бы существенно уменьшить количество машинных команд в центральном процессоре. В середине 70-х это привело многих производителей компьютеров к пересмотру своих позиций и к разработке центрального процессора с весьма ограниченным набором команд.

RISC (redused instruction set command) - процессор, функционирующий с сокращенным набором команд. Так, в процессоре CISC для выполнения одной команды необходимо в большинстве случаев 10 и более тактов. Что же касается процессоров RISC, то они близки к тому, чтобы выполнять по одной команде в каждом такте. Следует также иметь в виду, что благодаря своей простоте процессоры RISC не патентуются. Это также способствует их быстрой разработке и широкому производству. Между тем, в сокращенный набор RISC вошли только наиболее часто используемые команды.

Первый процессор RISC был создан корпорацией IBM в 1979 г. И имел шифр IBM 801. В настоящее время процессоры RISC получили широкое распространение. Современные процессоры RISC характеризуются следующим:

· упрощенный набор команд, имеющих одинаковую длину;

· большинство команд выполняются за один такт процессора;

· отсутствуют макрокоманды, усложняющие структуру процессора и уменьшающие скорость его работы;

· взаимодействие с оперативной памятью ограничивается операциями пересылки данных;

· резко уменьшено число способов адресации памяти (не используется косвенная адресация);

· используется конвейер команд, позволяющий обрабатывать несколько из них одновременно;

· применяется высокоскоростная память.

Новый подход к архитектуре процессора значительно сократил площадь, требуемую для него на кристалле интегральной схемы. Это позволило резко увеличить число регистров. В современном процессоре RISC уже используется более 100 регистров. В результате процессор на 20 - 30 % реже обращается к оперативной памяти, что также повысило скорость обработки данных. Упростилась топология процессора, выполняемого в виде одной интегральной схемы, сократились сроки ее разработки, она стала дешевле.

Начиная с процессора Pentium, корпорация Intel начала внедрять элементы RISC-технологий в свои изделия.

MISC (minimum instruction set command) - процессор, работающий с минимальным набором длинных команд.

Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно слово (связку, bound) размером 128 бит. Оперируя с одним словом, процессор получил возможность обрабатывать сразу несколько команд. Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных.

Процессор MISC, как и процессор RISC? Характеризуется небольшим набором чаще всего встречающихся команд. Вместе с этим принцип команд VLIM обеспечивает выполнение группы команд за один цикл работы процессора. Порядок выполнения команд распределяется таким образом, чтобы в максимальной степени загрузить маршруты, по которым проходят потоки данных. Таким образом, архитектура MISC объединила вместе суперскалярную (многопоточную) и VLIM концепции. Компоненты процессора просты и работают с высокими скоростями.

VLIM (Very Length Instruction Memory) - процессор, работающий с системой команд сверхбольшой разрядности.

Идея технологии VLIM заключается в том, что создается специальный компилятор планирования, который перед выполнением прикладной программы проводит ее анализ, и по множеству ветвей последовательности операций определяет группу команд, которые могут выполняться параллельно. Каждая такая группа образует одну сверхдлинную команду. Это позволяет решать две важные задачи. Во-первых, в течение одного такта выполнять группу коротких («обычных») команд. Во-вторых, упростить структуру процессора. Этим технология VLIM отличается от суперскалярности. В последнем случае отбор групп одновременно выполняемых команд происходит непосредственно в ходе выполнения прикладной программы (а не заранее). Из-за чего усложняется структура процессора и замедляется скорость его работы.

3.2 DSP-процессор

Виды

Стандартные.

Существует два варианта выполнения команды MAC на DSP процессоре стандартного типа. В первом случае, когда оба операнда находятся в памяти данных, их выборка занимает два такта, поэтому время осуществления количества сложений n равно 2n. Существует и второй вариант: если один операнд уже будет находиться в памяти программы, операция выполняется за один такт, соответственно, время исполнения команды процессором составит n тактов. Для достижения максимального быстродействия необходимо задействовать программную память для хранения промежуточных данных и выполнения однокомандного цикла. Оптимизировать использование памяти программ можно за счет использования «двухпортовой памяти» - с двумя комплектами входных шин. При таком построении возможно одновременное обращение по двум адресам, расположенным в отдельных блоках. Повышение производительности достигается за счет увеличения тактовой частоты.

Улучшенные стандартные.

Для выполнения двух параллельных команд MAC процессор использует два модуля и два аккумулятора. Информация поступает по трем шинам, при этом одно значение является общим для них. Данный способ выполнения двух параллельных команд с одним сомножителем может заменять собой более сложные алгоритмы ЦОС (цифровой обработки сигналов). К примеру, это может быть реализовано при двухканальной обработке, когда общая шина принимает отсчеты сигнала, а две раздельные - наборы коэффициентов. Увеличение производительности достигается с помощью методов повышения параллелизма (за счет введения узкоспециализированных сопроцессоров, усложнения системы команд и т.п.).

Параметры

Тип арифметики. В зависимости от типа арифметики DSP делятся на процессоры, обрабатывающие информацию с плавающей и фиксированной точкой (формой представления дробных чисел, которая используется в работе математического сопроцессора).

Разрядность данных. Разрядность процессора с фиксированной точкой составляет 16 бит, с плавающей - 32 бита. Отдельные модели позволяют производить обработку данных с двойной точностью.

Виды и объём внутренней памяти. Данная характеристика определяет объем информации, которую процессор способен обработать без обращения к внешней памяти, что определяет возможность функционирования системы в режиме реального времени. От типа ПЗУ (постоянно запоминающего устройства) зависят возможности программирования устройства: для крупносерийного производства используются модели с обычным ПЗУ, для небольших тиражей - однократно программируемые устройства (ППЗУ), а применение Flash-памяти позволяет несколько раз изменять программу устройства во время его эксплуатации.

Адресуемый объём памяти. Основной характеристикой объема адресуемой внешней памяти DSP является ширина внешней шины адреса.

...