Реферат: Анализ структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров

Микропроцессор i486.

По сравнению с 80386 процессором, почти все усовершенствования сделаны на аппаратном уровне, и у нового процессора гораздо больше. На кристалле, кроме центрального процессора, были размещены : математический сопроцессор, кэш и устройство управления памяпью, которое позволяло физически адресовать до 4 Гбайт ОЗУ. Микропроцессор 80486 на частоте 25 - Мгц работал в 3 - 4 раза быстрее чем микропроцессор 80386, расчитанный на такую же частоту.

В микропроцессоре используются раздельные 32 - разрядные шины адреса и данных, обеспечивающие в монопольном режиме скорость передачи данных до 106 М байт\с ( при тактовой частоте 33 Мгц ), а также 8 Кбайт встроеной кэш - памяти, играющей роль буфера между относительно медленной основной памятью и высокоскоростным процессором. Процессор i80486 в своё время являлся незаменимым при работе в такой многопользовательской системе как UNIX.

Выбор показателей для оценки микропроцессоров.

Первый показатель - архитектура самого микропроцессора, какая она RISC или CISC.

Основные характеристики архитектур типовых MП приведены на следующей странице:

Характеристика	CISC	RISC
Формат команд	Переменный	Стандартный
Структура команд	Сложная	Простая
Выполнение всех команд	Аппаратно - програмное	Аппаратное
Число команд	Большое	Небольшое
Число регистров	Небольшое	Большое
Время обработки прерывания	Среднее	Очень малое
Тактовая частота, МГц	25 ; 33 ; 40	12 ; 16,7 ; 20
Среднее число тактов за инструкцию	4 - 6	1,2 - 2
Среднее число транзисторов, тыс.	300 - 400	до 50
Быстродействие млн. оп\с.	4 - 6	10 - 12
Отношение тыс транзисторов\млн. оп\с	70	5

Постепенное усложнение CISC-процессоров происходит в направлении более совершенного управления машинными ресурсами, а также в направлении сближения машинных языков с языками высокого уровня.

В то же время сложная система команд и переменный формат команды процессором с CISC архитектурой привели к быстрому росту сложности схем (80386 содержит 270 тыс., а 80486 - 1 млн. транзисторов) и, как следствие, к пределу возможностей CISC- архитектуры в рамках существующей кремниевой технологии.

Усложнение RISС процессоров фактически приближает их архитектуру к СISC-архитектуре.

В настоящее время число MП с RISC-архитектурой существенно возросло и все ведущие фирмы США их производят, в том числе фирмы Intel, Motorola - производители основных семейств МП с СISC-архнтектурой.

Процессоры с RISC - архитектурой широко применяются в платах - ускорителях ( акселераторах ) для преобразования стандартных 16 - разрядных ПЭВМ в 32 - разрядные персональные системы высокой производительности.

Второй показатель - производительность. Различают несколько производительностей, в данном случае я рассмотрю 2 вида : пиковую или предельную ( производительность процессора без учета времени обращения к оперативной памяти за операндами ) и номинальную (производительность процессора с оперативной памятью ).

Пиковая производительность определяется как среднее число команд типа «регистр - регистр», выполняемых в единицу времени без учета их статистического веса в выбранном классе задач. В настоящее время за рубежом пиковая производитель ность процессора измеряется для команды типа «нет операции» в миллионах операций в сек.

Номнальная производительность традиционно определяется как среднее число команд, выполняемых полсистемой «процессор - память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предложенным процессров определенных архитектур, и измеряется разботанными для них измерительными программами, реализующими соответствующую эталонную нагрузку.

Третий показатель - быстродействие, измеряемое миллионами тактов всекунду или Мега Герцами. Чем больше Мгц тем лучше, хотя выбор наиболее быстрого процессора в этом плане зависит от толщины кошелька.

Сравнительная оценка структур и архитектур совместимых 32-разрядных микропроцессоров.

В микропроцессорной индустрии только фирма Intel “ изобрела велосипед “ остальные фирмы и корпорации “ плясали от исходного “ приобретая патенты или дорабатывая и усовершенствуя, на сколько позволял прогресс в этой области, детища фирмы Intel. Поэтому я попробую сравнить продукты этой фирмы, считая все остальные процессоры клонами с доработками или без.

Оба процессора 80386 и 80486 имеют одинаковую архитектуру - CISC. Фирма Intel заняла нишу CISC процессоров, процессоров более общего применения по существенно низким ценам.

Фирма Intel для оценки производительности своих процессоров предложила специальный индекс - iCOMP (Intel COmparative Microprocessor Performance), который, по ее мнению,более точно отражает возрастание производительности при переходе к новому поколению процессоров (некоторые из выпущенных уже моделей компьютеров на основе Pentium при выполнении определенных программ демонстрируют даже меньшее быстродействие, чем компьютеры на основе 486DX2-66, это связано как с недостатками конкретных системных плат, так и с неоптимизированностью программных кодов). Производительность процессора 486SX-25 принимается за 100. Производительность других про- цессоров, которые останутся в ближайшей производственной программе фирмы Intel, представлена в следующей таблице:

МОДЕЛЬ	ИНДЕКС iCOMP
486SX2-50	180
486DX2-50	231
486DX2-66	297
486DX4-75	319
486DX4-100	435
Pentium-60	510
Pentium-66	567
Pentium-90	735

Иногда общая скорость работы компьютера называется производительностью. Имеется несколько способов измерения производительности, и она зависит от многих факторов, например размера и быстродействия дисков, наличия сопроцессора и быстродействия микросхем памяти. Однако наиболее важным фактором является быстродействие процессора.

Как правило производительность новых процессоров выше старых. Например, процессоры 386 и 486 быстрее процессора 8086. Конечно процессоры 386 и 486 не только по скорости - гораздо важнее их расширенные возможности. Многие забывают, что важна не только скорость процессора, но и то, что он может делать.

Обычно каждый член процессорного семейства включает несколько моделей, единственное различие которых заключается в рабочей частоте. Действиями процессора управляют электрические импульсы, появляющиеся миллионы раз в секунду. Каждый импульс вызывает некоторое действие процессора, и время выполнения конкретной операции измеряется числом импульсов (часто называемых тактами). Например, для умножения двух чисел требуется больше тактов, чем для сложения.

Число тактов в секунду измеряется миллионами даже для медленных процессоров и выражается в мегагерцах (МГц). Например, 10 МГц означают 10 миллионов тактов в секунду.

При прочих равных параметрах компьютер с более быстрым процессором работает быстрее компьютера с тем же процессором, имеющим меньшую частоту. Например, первый компьютер PC AT имел процессор 286, работающий на частоте 6 МГц. Через некоторое время появился более быстрый компьютер PC AT с тем же процессором 286, но работающим на частоте 8 МГц.

При сравнении быстродействия процессоров необходимо иметь в виду, что новые процессоры работают эффективнее старых. Например, процессор 486 с частотой 25 МГц работает быстрее процессора 386 с той же частотой 25 МГц. В случае сомнений выбирайте самый быстрый компьютер, который подходит по стоимости. В моделях одного и того же компьютера применяются процессоры с разичным быстродействием. Например, модель 70 семейства PS/2 выпускается с процессором 386, работающим на частотах 16, 20 или 25 МГц. Кроме того, в некоторых компьютерах модели 70 применяется процессор 486. В таблице приведены процессоры семейства 86 с их рабочими частотами. Показаны все рабочие частоты, объявленные фирмой Intel. Однако не которые процессоры с низкой рабочей частотой сняты с производства. От метим, что фирма Intel по лицензиям разрешала другим фирмам выпускать процессор 286 и некоторые другие; эти фирмы предлагали процессоры с отличающимися рабочими частотами. В таблице приведены только частоты, официально объявленные фирмой Intel.

Таблица Процессоры семейства 86 фирмы Intel.

Процессор	Частоты ( МГц )
8088	4,77 ; 8
8086	4,77 ; 8 ; 10
188	8 ; 10 ; 12,5 ; 16
186	8 ; 10 ; 12,5 ; 16
286	8 ; 10 ; 12,5
386SX	16 ; 20
386SL	20 ; 25
386DX	16 ; 20 ; 25 ; 33
486SX	16 ; 20 ; 25 ; 33
486DX	25 ; 33 ; 50
486DX2	50 ; 66
486SL	20 ; 25
Pentium	60 ; 66

Отметим, что в рекламных обьявлениях встречаются компьютеры с процессорами 486, работающими на частоте 66 Мгц. Фактически речь идёт о процессорах DX2, которые внутри действуют на частоте 66 Мгц, а с остальными устройствами взаимодействуют на частоте 33 Мгц. Самый быстродействующим процессором 486 ( и самая быстрая шина компьютера ) имеет рабочую частоту 50 Мгц. Однако оказалось, что обычные шины PC работают на такой частоте ненадёжно. В наиболее надёжных компьютерах применяется шина на 33 Мгц, а результаты тестирования показывают, что процессоры DX2 с частотой 66 Мгц при некоторых условиях превосходят модели с рабочей частотой 50 Мгц.

Перспективы развития микропроцессоров.

Поразмышлять о будущем PC весьма интересно. Технология совершенствуется столь быстро, что ее постоянные новинки становятся нормой. Остановимся подробнее на будущем процессоров семейства 86.

В настоящее время RISC - процессоры являются также базой для построения сопроцессоров и спецпроцессоров, интеллектуальных контроллеров и других устройств.