Структура типового микропроцессора

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 2.1 Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.

Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора.

Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.

 

Вопрос №4

"Мозгом" персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процессор – CPU (Control Processor Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработ­ку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых компь­ютером, имеющих сопроцессор) и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компьютера. Во всех PC-совместимых компьютерах используются процессоры, совместимые с семейством микросхем Intel, но выпускаются и проектируются они как самой фирмой Intel, так и компаниями AMD, Cyrix, IDT и Rise Technologies.

В настоящее время Intel доминирует на рынке процессоров. Однако в конце 70-х годов лидерами на этом рынке были фирмы Zilog (модель Z-80) и MOS Technology (модель 6502). Процессор Z-80 был улучшенной и недорогой копией процессора Intel 8080.

Звездный час фирм Intel и Microsoft наступил в 1981 году, когда IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC с процессором Intel 8088 (4,77 МГц) и операционной сис­темой Microsoft Disk Operating System (DOS) версии 1.0. С этого момента практически во все персональные компьютеры устанавливаются процессоры фирмы Intel и операционные систе­мы Microsoft.

В 1998 году фирма Intel отпраздновала свое тридцатилетие. Она была создана 18 июля 1968 года Робертом Нойсом (Robert Noyce), Гордоном Муром (Gordon Moore) и Эндрю Гроувом (Andrew Grove).

В 1970 году Intel выпустила микросхему памяти емкостью 1 Кбит, содержащую больше транзисторов, чем любая тогдашняя интегральная схема. (1 Кбит равен 1 024 бит, байт состо­ит из 8 бит, т.е. микросхема могла хранить всего 128 байт информации, что по современным меркам ничтожно мало.) Приблизительно в то же время японская фирма Busicom, производившая калькуляторы, заказала фирме Intel для одной из своих разработок логические микро­схемы 12 типов. Все необходимые свойства 12 микросхем удалось реализовать в одной. Более того, в этой микросхеме была предусмотрена возможность программного изменения ее функций. Таким образом, она превратилась в универсальную, т.е. могла работать не только в калькуляторе. Выполняемые операции не определялись только ее внутренней струк­турой - интегральная схема могла считывать из памяти определенное количество инструк­ций (команд), которые и управляли выполняемыми ею функциями. Идея заключалась в том, чтобы в одной микросхеме полностью реализовать вычислительное устройство, которое выполняло бы операции в зависимости от подаваемых команд.

Первый 4-разрядный микропроцессор 4004 фирмы Intel появился в 1971 году. Он содержал 2300 транзисторов и за один раз обрабатывал 4 бита данных. Рабочая частота этого процессора составляла всего 108 кГц (0,108 МГц). Он производился по 10-микронной технологии. Этот процессор предназначался для использования в программируемых калькуляторах. Процессор 4004 выполнял 60 тыс. операций в секунду, что ничтожно мало по современным стандартам. В те времена появление этого процессора означало существенный прорыв в микроэлектронике.

В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3500 транзисторов и производился все по той же 10-микронной технологии. Шина данных была 8-разрядной, что позволяло адресовать 16 Кбайт памяти. Этот процессор предназначался для использования в терминалах и программируемых калькуляторах.

Следующая модель процессора, 8080, была анонсирована фирмой Intel в апреле 1974 года. Этот процессор содержал 6000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нем был собран первый персональный компьютер (не PC) Altair 8800. В этом компьютере исполь­зовалась операционная система СР/М, а фирма Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ.

Благодаря популярности процессора Intel 8080 некоторые фирмы начали выпуск его клонов. Так в июле 1976 года появился процессор Z-80 (фирма Zilog), который работал на частоте 2,5 МГц (более поздние модели уже работали на частоте 10 МГц). Процессор Z-80 был несовместим с 8080, но мог выполнять все написанные для него программы. Он стал использоваться в компьютерах TRS-80 Model 1, выпущенных фирмой Radio Snack. Этот же процес­сор устанавливался в компьютеры Osborne и Kaypro.

Intel не остановилась на достигнутом и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3-микронной технологии.

В этом же году фирма MOS Technologies выпустила процессор 6502, который был абсолютно непохож на процессоры фирмы Intel. Он был разработан группой инженеров фирмы Motorola. Эта же группа работала над созданием процессора 6800, который в будущем трансформировался в семейство процессоров 68000. Отличительной чертой процессора 6502 была его цена - 25 долларов, в отличие от процессора 8080, который стоил около 300 долларов. Именно на этом процессоре были созданы первые модели компьютеров Apple I и Apple II, а также игровые приставки Nintendo. Процессоры серии 68000, которые теперь называются PowerPC, в настоящее время используются в компьютерах Apple Macintosh.

В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86. Этот же набор команд до сих пор поддерживается в самых современных процессорах Pentium III. Процессор 8086 был полностью 16-разрядным - внутренние регистры и шина данных. Он содержал 29000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20-разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти.

Процессор 8086 стоил довольно дорого, и в 1979 году Intel выпустила "дешевую" версию этого процессора под кодовым названием 8088. Этот процессор отличался от предыдущего 8-разрядной шиной данных. Именно его стали устанавливать в первые компьютеры IBM PC. Оригинальный процессор 8088 содержал 30 000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Последние процессоры фирмы Intel (например, Pentium III Xeon) содержат 140 млн. транзи­сторов и работают на частоте 1 ГГц (уже даже есть опытные образцы процессоров, работаю­щих на частоте 2 ГГц). Вряд ли можно найти наилучшее практическое подтверждение закону Мура, который гласит, что каждые два года количество транзисторов в процессоре будет уд­ваиваться.

В 1982 году появился процессор Intel 286. Он был 16-разрядным; содержал 134 тыс. транзисторов и был, совместим со всеми своими предшественниками. Этот процессор использовался в компьютерах IBM PC-AT. В 1985 году увидел свет 32-разрядный процессор Intel 386. Он содержал 275 тыс. транзисторов и мог выполнять 5 млн. инструкций в секунду (Million Instruction Per Second - MIPS). Эти процессоры устанавливались в компьютеры Compaq DeskРго386. Следующее поколение процессоров, 486, Intel представила в 1989 году. Этот процессор уже содержал 1,2 млн. транзисторов и имел встроенный сопроцессор. Он работал в 50 раз быстрее процессора 4004. Его производительность была эквивалентна производительности мощных мэйнфреймов.

В 1993 году Intel анонсировала свой первый процессор семейства Pentium, производительность которого была в пять раз выше по сравнению с процессором 486. Он содержал 3,1 млн. транзисторов и мог выполнять 90 млн. инструкций в секунду.

Первый процессор семейства Р6 - Pentium Pro - появился на свет в 1995 году. Он содержал 5,5 млн. транзисторов и мог выполнять 300 млн. инструкций в секунду.

Процессор Pentium II был представлен фирмой Intel в мае 1997 года. Он содержал 7,5 млн. транзисторов. В апреле 1998 года в семействе процессоров Pentium II появились Celeron (недорогая версия оригинального процессора Pentium II) и Pentium II Xeon (высокопроизводительный процессор для рабочих станций и серверов). В феврале 1999 года увидел свет процессор Pentium III.

В 2000 году Intel объявила, что создан первый процессор семейства Р7 (кодовое название Merced) - Itanium. Это первый 64-разрядный процессор, открывающий новый этап в жизни операционных систем и приложений, но в то же время полностью совместимый с 32-разрядным программным обеспечением. В этом же году фирмами Intel и AMD преодолен барьер 1 ГГц.

Центральным событием 2002 года стало объявление компании IBM о выпуске нового 64-разрядного микропроцессора PowerPC 970, который, по словам разработчиков, работает вдвое быстрее любого современного процессора для персональных компьютеров. Как заявил Питер Сэндон, максимальная производительность PowerPC 970 будет достигать 7,2 млрд. операций в секунду.

Наиболее интересная новинка Intel - прототип серверного процессора, входящего в семейство Itanium. В новом чипе на одном кристалле объединены четыре ядра и общая кэш-память увеличенного объема.

В лабораториях компании AMD проходит испытания процессор Opteron с тактовой частотой 2 ГГц. В этих чипах реализована новая технология, позволяющая создавать многопроцессорные системы без установки дополнительных микросхем, что позволяет существенно удешевить такие системы.

Президент компании Centaur Technology Гленн Генри рассказал о новом процессоре с пониженным энергопотреблением под кодовым названием Nehemiah, который рассчитан на использование в недорогих системах. Процессор Nehemiah будет производиться по 0,13-микронной технологии, а его тактовая частота составит 1,4 или 1,5 ГГц. Компания продемонстрировала компьютер на основе процессора Nehemiah с видео картой nVidia GeForce2, который по производительности в два раза превосходил систему в аналогичной конфигурации на базе процессора Intel Pentium 4 с тактовой частотой 1,7 ГГц.

Японская компания Fujitsu продемонстрировала новый процессор SPARC64 V, предназначенный для научных и промышленных расчетов. Как сообщил представитель Fujitsu Акиро Инуэ, SPARC 64 состоит из 191 млн. транзисторов, имеет кэш-память второго уровня объемом 2 Мбайт и работает с тактовой частотой 1,35 МГц при напряжении 1,8 В. Новый процессор будет производиться по 0,13-микронной технологии.

 

Вопрос №5

 

На рис. 2.2 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:
1. Ввести данные из порта ввода 1.
2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.
3. Переслать данные в порт вывода 10.

Рис. 2.2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода.

В данной программе всего три команды, хотя на рис. 2.2 может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 2.2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда нужно взять информацию.

В МП на рис. 2.2 выделены еще два новых блока - регистры: аккумулятор и регистр команд.

Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор - это центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.

Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая последовательность действий:
1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.
2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.
3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду ("Ввести данные из порта 1").
5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.
6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.
8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.
9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована.
10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.
11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".
12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.
13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.
14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.
15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд.
16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы "А" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.

В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации.

Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.

Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:
- выборку команд программы из основной памяти;
- дешифрацию команд;
- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;
- управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;
- отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;
- управление и координацию работы основных узлов МП.

 

Вопрос №6