Московский государственный университет печати

Иванько А.Ф.


         

Структура и архитектура микропроцессоров современных персональных электронных вычислительных машин

Учебное пособие


Иванько А.Ф.
Структура и архитектура микропроцессоров современных персональных электронных вычислительных машин
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Введение в архитектуру микропроцессоров

2.

Особенности набора КР 580

3.

Архитектура микропроцессора К 580 и микроЭВМ на его базе

4.

Система команд микропроцессора КР 580ИК80

5.

Структуры микропроцессорных систем и области их применения

6.

Процессоры PENTIUM

7.

Интерфейс шины процессоров PENTIUM

8.

Расширения архитектуры

9.

Двухпроцессорные системы

10.

Маркировка и идентификация процессоров PENTIUM

11.

Универсальные микропроцессоры

11.1.

Микропроцессоры компании AMD

11.2.

Микропроцессоры компании Cyrix

11.3.

Микропроцессоры с архитектурой Alpha

Список литературы

Указатели
4  именной указатель
102  предметный указатель
31  указатель иллюстраций
21  указатель компаний

6.
Процессоры PENTIUM

Процессоры Pentium фирмы IntelIntel представляют пятое поколение процессоров семейства x86. По базовой регистровой архитектуре и системе команд они совместимы с вышеописанными 32-битовыми процессорами, но имеют 64-битовую шину данных, благодаря чему их иногда ошибочно называют 64-разрядными. От предыдущих поколений процессоры Pentium качественно отличают [ссылка на источники литературы]:

  • Суперскалярная архитектура: процессор имеет два параллельно работающих конвейера обработки (U-конвейер с полным набором инструкций и V-конвейер с несколько ограниченным набором), благодаря чему он способен одновременно выполнять две инструкции. Однако преимущества этой архитектуры полностью реализуются только при специальном режиме компиляции ПО [ссылка на источники литературы].

  • Применение технологии динамического предсказания ветвлений совместно с выделенным внутренним кэшем команд объемом 8 Кбайт обеспечивает максимальную загрузку конвейеров.

  • Внутренний (Level 1) кэш данных объемом 1 Кбайт в отличие от 486-го работает с отложенной (до освобождения внешней шины) записью и настраивается на режим сквозной или обратной записи, поддерживая протокол MESI.

  • Внешняя шина данных ради повышения производительности имеет разрядность 64 бит, что требует соответствующей организации памяти.

  • Встроенный сопроцессор за счет архитектурных улучшений (конвейеризации) в 2-10 раз превосходит FPU-486 по производительности.

  • Введено несколько новых инструкций, в том числе распознавание семейства и модели CPU.

  • Применено выявление ошибок внутренних устройств (внутренний контроль паритета) и внешнего интерфейса шины, контролируется паритет шины адреса.

  • Введена возможность построения функционально-избыточной двухпроцессорной системы.

  • Реализован интерфейс построения двухпроцессорных систем с симметричной архитектурой (начиная со второго поколения Pentium).

  • Введены средства управления энергопотреблением.

  • Применена конвейерная адресация шинных циклов.

  • Сокращено время (число тактов) выполнения инструкций.

  • Введены трассировка инструкций и мониторинг производительности.

  • Расширены возможности виртуального режима - введена виртуализация флага прерываний.

  • Введена возможность оперирования страницами размером 4 Мб в режиме страничной переадресации (Paging).

Все Pentium-процессоры имеют средства SMM, возможности которых расширялись по мере появления новых моделей [ссылка на источники литературы].

Средства тестирования включают возможность выполнения встроенного теста BIST (Built-In Self Test), обеспечивающего выявление ошибок микрокодов, программируемых логических матриц, тестирование командной кэш-памяти, Кэш-памятькэш-памяти хранения данных, буфера быстрой переадресации и ROM. Все процессоры имеют стандартный тестовый порт IEEE 1149.1, позволяющий тестировать процессор с помощью интерфейса JTAG. В процессорах реализованы новые дополнительные средства отладки [ссылка на источники литературы]:

  • зондовый режим (Probe Mode), обеспечивающий доступ к внутренним регистрам и пространствам ввода-вывода системной памяти процессора Pentium. Этот режим позволяет проверять и изменять состояние CPU, обеспечивая средства для отладки программ с возможностями, подобными внутрисхемным эмуляторам;

  • расширения отладки DE (Debug Extensions), позволяющие ставить контрольные точки по адресам ввода-вывода;

  • внутренние счетчики, используемые для текущего контроля производительности и учета числа событий;

  • пошаговое исполнение с помощью команды CPUID. Процессоры Pentium первого поколения (Р5) с тактовой частотой 60 и 66 МГц имели напряжение питания 5 В, что приводило к большому тепловыделению (на частоте 66 МГц - 16 Вт). Они выпускались в корпусах PGA-273 (матрица 21?21), для установки этих процессоров предназначен сокет 4.

Первые модели процессоров имели ошибку в FPU (floating point flaw), выражавшуюся в потере точности при выполнении деления с некоторыми сочетаниями операндов. Ошибка могла появляться от 4-го до 19-го разряда после десятичной точки. С начала 1995 г. процессоры выпускались уже без ошибок. Статистические исследования показывают, что ошибка может проявляться раз в несколько лет. Тем не менее фирма IntelIntel до сих пор обеспечивает бесплатную замену уже проданных процессоров с ошибкой на исправленные версии, но без «апгрейда» на более современные модели. Процессоры с ошибкой могут быть выявлены с помощью утилиты CPUIDF.EXE, которую можно получить на Web-сервере компании.

Pentium Overdrive 120 и 133 МГц (Overdrive for Pentium) - вариант процессора Pentium второго поколения (с пониженным энергопотреблением и удвоением частоты), предназначенный для замены процессоров Pentium первого поколения. Он имеет корпус PGA-273, устанавливаемый в сокет 4. Эти процессоры дороже обычных Pentium 120 или 133, их применение имеет смысл только тогда, когда по каким-либо причинам нет возможности заменить старую системную плату, а производительности Pentium 60 или 66 МГц недостаточно. Но более мощный процессор в такую плату все равно уже не поставить [ссылка на источники литературы].

Процессоры Pentium второго поколения (Р54) имеют напряжение питания 3,3 В и менее, что существенно снижает рассеиваемую мощность. При этом их входные и выходные сигналы остаются совместимыми с ТТЛ, однако для входов допустимый уровень сигнала ограничен на уровне 3,3 В (кроме тактовых входов CLC и PICCLC, допускающих уровень до 5 В). Более совершенные модели второго поколения используют технологию снижения напряжения питания VRT (Voltage Reduction Technology). При этом напряжение питания VCC для интерфейсных схем остается равным 3,3 В, а для питания ядра, потребляющего около 90% мощности, VCC снижено до 2,9 В, что уменьшает рассеиваемую мощность [ссылка на источники литературы].

Процессоры изготавливаются в корпусах SPGA-296 с шахматным расположением выводов, для их установки предназначены сокеты 5 и 7. Сокет 7 имеет две шины питания: VCC2 для питания ядра процессора и VCC3 для питания интерфейсных схем - и допускает установку процессоров с VRT-технологией [ссылка на источники литературы].

В процессорах второго поколения применяется внутреннее умножение частоты, при этом интерфейсные схемы внешней системной шины работают на частотах 50,60 или 66,66 МГц, а ядро процессора работает на более высокой частоте (75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 180 и 200 МГц). Разделение частот позволяет реализовать достижения технологии изготовления процессоров, существенно опережающие возможности повышения производительности памяти и других традиционных компонентов компьютера. Коэффициент умножения (1,5, 2, 2,5 или 3) задается комбинацией уровней сигналов на входах BFO, BFI в пределах, разрешенных спецификацией тактовой частоты процессора. Независимость установки внешней частоты и коэффициента умножения позволяет одну и ту же внутреннюю частоту задавать разными способами. Например, 100 МГц можно получить и как 50×2, и как 66,66×1,5. Последний вариант в общем случае предпочтительнее, поскольку при этом шина PC1 будет работать на частоте 33 МГц, а не 25 МГц. Однако бывают и исключения: если установленная память при частоте 66 МГц потребует больше тактов ожидания, чем при 50 МГц, то предпочтительнее скорее всего будет частота 50 МГц [ссылка на источники литературы].

Процессоры с различающимися значениями тактовых частот, указанных в маркировке на корпусе, выполняются по одним и тем же шаблонам (схемам) в пределах одной группы Степпингстеппинга (см. ниже). Маркировка частоты наносится после жестких отбраковочных испытаний в зависимости от частоты, на которой процессор полностью прошел выходной контроль. Это открывает возможности для «разгона» процессоров, включая и пиратскую перемаркировку, когда на процессор наносится новое обозначение завышенной тактовой частоты. Против перемаркировки в некоторых моделях процессоров устанавливали специальные схемы, не допускающие разгона [ссылка на источники литературы].

Pentium OverDrive 125, 150 и 166 МГц - вариант процессоров второго поколения для замены Pentium 75, 90 и 100 МГц. От обычных в основном отличаются фиксированным (установленным внутри корпуса) коэффициентом умножения частоты. Предназначены для установки в сокет 5 или 7.

Процессоры Pentium MMX (P55C) - новое поколение процессоров, основанное на MMX-технологии, ориентированной на мультимедийное, 2D- и 3D-графическое и коммуникационное применение. В архитектуру Pentium введены восемь 64-битовых регистров (точнее, появилась возможность иного использования регистров FPU), 4 новых типа данных и 57 дополнительных мнемоник инструкций для одновременной обработки нескольких единиц данных (SIMD - Single Instruction Multiple Data). Одновременно обрабатываемое 64-битовое слово может содержать как одну единицу обработки, так и восемь однобайтовых, четыре двухбайтовых или два четырехбайтных операнда. В остальных командах обеспечивается совместимость с Pentium [ссылка на источники литературы].

Кроме MMX-расширения в архитектуре Pentium MMX имеется ряд усовершенствований, повышающих его производительность и на обычных операциях. Более эффективный способ предсказания ветвлений позаимствован у Pentium Pro, удвоено число буферов записи (их стало четыре) и удвоен объем обеих частей кэша LI (теперь 16+16 Кб), увеличено число ступеней конвейеров, улучшена возможность параллельных вычислений (процессор способен выполнять две SIMD-инструкции с 16-битовыми данными за 1 такт).

В двухпроцессорных системах Pentium MMX поддерживает только симметричную архитектуру, возможность функционально-избыточного контроля (FRC) изъята [ссылка на источники литературы].

Применено раздельное питание ядра (напряжение 2,7-2,9 В, номинал 2,8 В) и интерфейсных схем (3,135 - 3,6 В, номинал 3,3 В). Процессор совместим по выводам с Pentium второго поколения в технологией VRT и устанавливается в сокет 7 (установка в сокет 5 механически возможна, но электрически недопустима) [ссылка на источники литературы].

Процессоры Pentium для мобильных применений имеют пониженное энергопотребление, обеспеченное снижением напряжения питания ядра процессора. Кроме того, из этих процессоров изъяты средства поддержки двухпроцессорных систем, AP1C и соответствующие им внешние выводы. Процессоры этого класса исполняются в корпусах SPGA, а также в корпусах TCP, имеющих выводы, расположенные по периметру корпуса [ссылка на источники литературы].

© Центр дистанционного образования МГУП