Реферат: Микропроцессоры

Довольно часто для адресов, номеров портов, прерываний и т.д. используется шестнадцатеричная система счисления. В этом случае после соответствующего числа стоит буква ‘h’ (hexadecimal).

Семейство процессоров x 88/ x 86.

Первый микропроцессор - i4004 - был изготовлен 1971 году и с тех пор фирма Intel (INTegratedElectronics) прочно удерживает лидирующее положение на данном сегменте рынка. Стоит, пожалуй, напомнить, что максимальная тактовая чистота этого прапрадедушки современных «числодробилок» составляла всего 750 кГц.

Реализация ряда следующих проектов фирмы Intel по разработке однокристаллических микропроцессоров (i4040, i8008) возвестила о наступлении новой эры персональных компьютеров. Наиболее успешным был, пожалуй, проект разработки микропроцессора i8080. Кстати, впоследствии именно на этом микропроцессоре был основан компьютер «Альтаир», для которого молодой Бил Гейтс написал свой первый интерпретатор Бейсика. Этот 8-разрядный микропроцессор был выполнен по n-канальной МОП-технологии (n-MOS), а его тактовая частота не превышала 2 МГц. Не будет преувеличением сказать, что классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Несмотря на заслуженный успех i8080, настоящим промышленным стандартом для персональных компьютеров стал другой микропроцессор фирмы Intel.

i 8088

Микропроцессор i8088 был анонсирован Intel в июне 1979 года, а в 1981-м «Голубой Гигант» (фирма IBM) выбрал этот микропроцессор для своего первого персонального компьютера и, надо сказать не ошибся. Новый чип содержал примерно 29 тысяч транзисторов. Одним из существенных достоинств микропроцессора i8088 была возможность (благодаря 20 адресным линиям) физически адресовать область памяти в 1 Мбайт. Здесь следует, правда, отметит, что для IBMPC в этом пространстве было отведено всего лишь 640 Кбайт. Хотя с внешними периферийными устройствами (дисками, видео) i8088 был связан внешнюю 8-разрядную шину данных, его внутренняя структура (адресуемые регистры) позволяла работать с 16-разрядными словами.

Как известно, на системной шине IBMPC для передачи данных было отведено 8 линий (1 байт). Первоначально микропроцессор i8088 работал на частоте

4,77 МГц и имел быстродействие 0,33 MIPS (MillionInstructionPerSecond), однако впоследствии были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8 МГц).

i 8086

Чип 8086, появившийся ровно на год раньше своего счастливого последователя (в июне 1978 года), стал популярен благодаря компьютеру CompaqDeskPro. Программная модель (доступные регистры) этого микропроцессора полностью совпадает с моделью i8088. Основное отличие данных микропроцессора состоит в различной разрядности внешней шины данных: 8 разрядов у i8088 и 16 у i8086. Понятно, что более высокой производительности с новым микропроцессором можно было достичь при использовании компьютера, на системной шине которого под данные предусмотрено 16 линий. Адресная шина микропроцессора i8086 по-прежнему позволяла адресовать 1 Мбайт памяти.

i 80286

Опираясь на архитектуру i8086 и учитывая запросы рынка, в феврале 1982 года фирма Intel выпустила свой новый микропроцессор - i80286. На кристалле было реализовано около 130 тысяч транзисторов. Надо сказать, что этот чип появился практически одновременно с новым компьютером фирмы IBM - PC/AT. Наряду с увеличением производительности этот микропроцессор (i80286) мог теперь работать в двух режимах - реальном и защищённом. Если первый режим был (за рядом исключений) похож на обычный режим работы i8088/86, то второй использовал более изощрённую технику управления памятью. В частности, защищённый режим работы позволял, например, таким программным продуктам, как Windows 3.0 и OS/2, работать с оперативной памятью свыше 1 Мбайта. Благодаря 16 разрядам данных на новой системной шине, которая была впервые использована в IBMPC/AT286, мог обмениваться с периферийными устройствами 2-байтными сообщениями. 24 адресные линии нового микропроцессора позволяли в защищённом режиме обращаться уже к

16 Мбайтам памяти. В микропроцессоре i80286 впервые на уровне микросхем были реализованы многозадачность и управление виртуальной памятью. При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1,2 MIPS.

i 80386 DX

В октябре 1985 года фирмой Intel был анонсирован (представлен) первый

32-разрядный микропроцессор i80386. Новый чип содержал примерно 275 тысяч транзисторов. Первым компьютером, использующий этот процессор, был CompaqDeskPro 386 (другие источники говорят о лидерстве фирмы ALR). Полностью 32-разрядная архитектура (32-разрядные регистры и 32-разрядная внешняя шина данных) в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью MMU (MemoryManagementUnit), которая помимо блока сегментации (SegmentationUnit) было дополнено блоками управления страницами (PagingUnit). Это устройство позволяло легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое (свопинг) и освобождать драгоценные килобайты памяти. На тактовой частоте 16 МГц быстродействие нового процессора составляло примерно 6 MIPS.

В реальном режиме (после включения питания) микропроцессор i80386 работал как « быстрый i8088 » (адресное пространство 1 Мбайт, 16-разрядные регистры). Защищённый режим был полностью совместим с аналогичным режимом в i80286. Тем не менее в этом режиме i80386 мог выполнять и свои

« естественные » (native) 32-разрядные программы. Напомним, что 32 адресные линии микропроцессора позволяли физически адресовать 4 Гбайта памяти. Кроме того был введён новый режим - виртуального процессора (V86). В этом режиме могли одновременно выполняться несколько задач, предназначенных для i8086.

i 80386 SX

Более дешёвая альтернатива 32-разрядному процессору i80386, который в последствии получил окончание DX, появился только в июне 1988 года. То был процессор i80386SX. В отличие от своего старшего « собрата » новы микропроцессор использовал 16-разрядную шину внешних данных и

24-разрядную адресную (адресуемое пространство - 16 Мбайт). Это было особенно удобно для стандарта PC/AT, системная шина которых использует, как известно, только 16 линий данных. Благодаря дешевизне нового изделия многие производители «железа» стали заменять уже устаревший микропроцессор i80286 на более производительный i80386SX. Одним из решающих факторов для замены была полная совместимость 32-разрядных микропроцессоров: программное обеспечение, написанное для i80386DX, корректно работало и на i80386SX. Дело в том, что внутренние регистры их были полностью идентичны. Надо отметить, что уже к концу 1988 года микропроцессор i80386SX выпускался в количестве, существенно превосходящих рекордные показатели для i80386DX. Кстати, говорят, что индекс SX произошёл от слова SiXteen (шестнадцать), поскольку разрядность внешней шины данных нового тогда процессора была именно такой. В дальнейшем, правда, для 486-х процессоров SX стал означать отсутствие математического сопроцессора.

i 486

На осенней выставке Comdex в 1989 году фирма Intel впервые анонсировала микропроцессор i486DX, который содержал более миллиона транзисторов (а точнее, 1,2 миллиона) на одном кристалле и был полностью совместим с процессором ряда х86. Напомним, что на кристалле первого члена этого семейства - микропроцессора i8088 - насчитывалось около 29 тысяч транзисторов. В борьбе с микропроцессорами-клонами фирма Intel намеренно убрала из названия нового устройства число 80. Новая микросхема впервые объединила на одном чипе такие устройства, как центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память. Использование конвейерной архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволило достичь четырёхкратной производительности обычных 32-разрядных систем. Это связано с уменьшением количества тактов для реализации каждой команды. 8-Кбайтная встроенная кэш-память ускоряет выполнение программ за счёт промежуточного хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц микропроцессор показал производительность 16,5MIPS. Созданная в июне 1991 года версия микропроцессора с тактовой частотой

50 МГц позволила увеличить производительность ещё на 50%. Встроенный математический сопроцессор существенно облегчал и ускорял математические вычисления. Однако впоследствии стало ясно, что подобный сопроцессор необходим только 30% пользователей.

i 486 SX

Появление нового микропроцессора i486SX фирмы Intel вполне можно считать одним из важнейших событий 1991 года. Уже предварительные испытания показали, что компьютеры на базе i486SX с тактовой частотой

20 МГц работают быстрее (примерно на 40%) компьютеров, основанных на i80386DX с тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержит на кристалле и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него заблокирован. Значительная экономия (благодаря исключению затрат на тестирование сопроцессора) позволила фирме Intel существенно снизить цены на новый микропроцессор. Надо сказать, что если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе микропроцессоров i486 предусматривается несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: соответствующие команды поддерживают механизм семафоров памяти, аппаратно-реализованное выявление недостоверности строки кэш-памяти обеспечивает согласованность между несколькими модулями кэш-памяти и т.д. Для микропроцессоров семейства i486 допускается адресация физической памяти размером 64 Тбайт.

i 80386 SL

К концу 1991 года 32-разрядные микропроцессоры стали стандартными для компьютеров типа лэптоп и ноутбук, однако обычные микросхемы i80386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков портативных компьютеров. Для удовлетворения потребностей этого сегмента рынка в 1990 году фирмой Intel был разработан микропроцессор i80386SL, который содержал примерно 855 тысяч транзисторов. Данный микропроцессор представляет собой интегрированный вариант микропроцессора i80386SX, базовая архитектура которого дополнена ещё несколькими вспомогательными контролерами. По существу, все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в двух микросхемах: микропроцессоре i80386SL и периферийном контролере i82360SL. В набор i82360SL впервые введено новое прерывание, называемое SystemManagementInterrupt (SMI), которое может быть использовано для обработки событий, связанных, например, с управлением потребляемой мощностью. Вместе с математическим сопроцессором i80386SL данный набор микросхем позволяет создать 32-разрядный компьютер на площади, не намного превышающий размер игральной карты.