Реферат: Основы микропроцессорных систем
Первый МП появился в 1971г. (Intel 4004) – 4-х разрядный, выполненный по р-МДП–технологии.
Первый 16-разрядный процессор i8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Частота – 5 МГц. Технология 3 мкм, 29000 транзисторов. Адресуемая память 1 Мбайт. С него началась история IBMPC, неразрывно связанная со всем дальнейшим развитием процессоров Intel.
Процессор i80286 (второе поколение ), знаменующий следующий этап архитектуры, появился в 1982 году. Он имел 134000 транзисторов (технология 1,5 мкм) и адресовал до 16 Мбайт физической памяти.
Третье поколение ознаменовалось переходом к 32-разрядной архитектуре IA–32 в 1985 году выпуском модели i80386 (275000 транзисторов, технология 1,5 мкм). Разрядность шины данных (как и внутренних регистров) достигла 32 бит, адресуемая физическая память – 4 Гбайт. МП нашёл широкое применение в PC. На его основе начал развиваться MSWindows с приложениями.
Четвёртое поколение ознаменовалось появлением МП Intel 486 DX в 1989 году. Транзисторов – 1,2 млн., технология – 1 мкм. Данный МП в архитектурную модель больших изменений не внёс, но значительно повысил его производительность. Тактовая частота в этом поколении достигла 133 МГц (у AMD) и 100 МГц (у Intel).
В 1993 году появились первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц (пятое поколение ) – 32 разрядные МП с 64-разрядной шиной данных. Транзисторов 3,1 млн., технология 0,8 мкм, питание 5В. От 486 МП Pentium принципиально отличается суперскалярной архитектурой . Поясним это.
В микроархитектуре процессоров пятого и шестого поколений – Pentium, PentiumPro, PentiumMMX, Celeron, PentiumIII – существенное значение имеет реализация различных способов конвейеризации и распараллеливания вычислительных процессов, а также других технологий, не свойственных процессорам прежних поколений.
Конвейеризация предполагает разбивку выполнения каждой команды (инструкции) на несколько этапов, причём каждый этап выполняется на своей ступени конвейера МП. При выполнении команда продвигается по конвейеру по мере освобождения последующих ступеней. Таким образом, на конвейере одновременно может обрабатываться несколько последовательных команд, и производительность МП можно оценивать темпом выхода выполненных команд со всех его конвейеров. Для достижения максимальной производительности МП – обеспечения полной загрузки конвейеров – программа должна составляться с учётом архитектурных особенностей процессора.
Конвейер “классического” процессора Pentium имеет пять ступеней. Конвейеры процессоров с суперконвейерной архитектурой имеют большее число ступеней, что позволяет упростить каждую из них и, следовательно, сократить время пребывания в них команд (инструкций).
Скалярным называют процессор с единственным конвейером. К этому типу относятся все процессоры Intel до 486 включительно.
Суперскалярный процессор имеет более одного конвейера, способных обрабатывать команды параллельно. Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), PentiumPro– трёхпотоковым.
Таким образом, МП пятого поколения Pentium у Intel и К5 у AMD – привнесли суперскалярную архитектуру. У процессоров пятого поколения после блоков предварительной выборки и первой стадии декодирования команд имеется два конвейера, U-конвейер и V-конвейер. Каждый из этих конвейеров имеет ступени окончательного декодирования, исполнения команд и буфер записи результатов. Процессор с такой архитектурой может одновременно “выпускать” до двух выполненных команд, но в среднем получается 1 такт на команду. Для быстрого снабжения конвейеров командами и данными из памяти шина данных процессора имеет разрядность 64 бит (из-за чего поначалу их даже ошибочно называли 64-разрядными процессорами).
Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году, представляли второе поколение процессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения отличались внутренним умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и другим типом корпуса. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений (блокнотных PC). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярны в РС.
В 1995 году были выпущены процессоры на 120 и 133 МГц, выполненные уже по технологии 0,35 мкм (первые процессоры на 120 МГц делались по технологии 0,6 мкм).
1996 год называют годом Pentium – появились процессоры на 150, 166 и 200 МГц и Pentium стал рядовым процессором в массовых РС.
Шестое поколение процессоров Intel началось с PentiumPro и продолжается по сей день в процессорах PentiumII, PentiumIII, Celeron и Xeon. PentiumPro содержит 5,5 млн. транзисторов ядра и 15,5 млн. транзисторов для вторичного КЭШа объёмом 256 Кбайт. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года были достигнуты частоты 166, 180 и 200 МГц (технология 0,35 мкм), а КЭШ увеличен до 512 Кбайт.
PentiumPro отличается “динамическим исполнением”, направленным на увеличение числа параллельно исполняемых команд, т.е. не в том порядке, как это предполагается программным кодом, а в том, как “удобно” процессору. Команды, поступающие на конвейер, разбиваются на простейшие микрооперации (μ–ops), которые далее выполняются суперскалярным процессорным ядром в порядке удобном процессору.
В начале 1997 года фирма Intel выпустила процессоры PentiumMMX. Технология MMX (MultiMediaextensions, мультимедийные расширения) предполагает параллельную обработку группы операндов (переменных и констант) одной командой. Технология ММХ призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений, в частности операций с изображениями и обработки сигналов. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн. транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм, тактовые частоты 166, 200 и 233 МГц.
В мае 1997 года появился процессор PentiumII. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра PentiumPro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое ввели поддержку ММХ. Первые процессоры имели частоту ядра 233, 266 и 300 МГц (технология 0,35 мкм), летом 1998 года была достигнута частота 450 МГц (технология 0,25 мкм), причём внешняя тактовая частота с 66 МГц повысилась до 100 МГц.
В 1999 году появились процессоры PentiumIII. Частота ядра около 1 ГГц, частота системной шины – 100 и 133 МГц.
На базе PentiumII появилось семейство “облегчённых” процессоров Celeron, сначала без вторичного КЭШа, а потом и с интегрированным вторичным КЭШем размером 128 Кбайт.
Для мощных компьютеров имеется семейство процессоров Xeon, которые охватывают и PentiumII и PentiumIII. Для этих процессоров характерен большой объём вторичного КЭШа и поддержка более чем двухпроцессорных конфигураций.
Есть процессоры PentiumII/III и для мобильных применений.
Седьмое поколение (по AMD) началось с процессора Athlon. Процессор Athlon (К7) на сегодняшний день является самым высокопроизводительным (из реально выпускаемых) членом семейства х86. Этот процессор по многим номинациям был признан лучшим процессором 1999 года. Производительность достигается не только высокой тактовой частотой (до 1 ГГц – 2000г.), но и особой суперконвейерной и суперскалярной микроархитектурой.
Процессор имеет три независимых конвейера целочисленных вычислений, три конвейера для вычисления адресов операндов и трёхканальное устройство для вычислений с плавающей точкой. Для вычислений с плавающей точкой впервые в истории х86 применяется полностью конвейеризированная суперскалярная “машина” с изменением порядка исполнения команд.
Первая модель процессора Athlon (начиная с 500 МГц) выполнялась по технологии 0,25 мкм, около 22 млн. транзисторов размещалось на площади 184 мм2 . Вторая модель (начиная с 550 МГц) производится по технологии 0,18 мкм и площадь кристалла уменьшилась до 102 мм2 .
Процессоры 550-750 МГц (модель 2, КЭШ 512 Кбайт) имеет напряжение питания ядра 1,6 В и потребляет мощность 28-35 Вт. Процессор на 800 МГц питается от 1,7 В и потребляет 43 Вт.
Электрически Athlon и PentiumII/III несовместимы.
Весной 2000 года выпущен процессор Duron – облегчённый вариант К7 (кодовое название – Spitfire). У него вторичный кэш, уменьшенный до 256 Кбайт, но работающий на частоте ядра, располагается на кристалле ядра. Это позволяет упаковать процессор в корпус со штырьковыми выводами (Socket–A). Тактовая частота – 600, 650 и 700 МГц, частота шины – 200 МГц.