Архітектура мікропроцесора: поняття, види, переваги і недоліки

Мікропроцесор складається з декількох блоків, з`єднаних між собою, кожен з них виконує певну функцію. Проект і взаємозв`язок цих блоків називається архітектурою. Швидкість, з якою комп`ютер може читати інструкції та виконувати відповідні обчислення, визначається робочою частотою мікропроцесора. Виробники досягли великих успіхів у розробці архітектури, що дозволяє комп`ютерам все менше залежати від частоти, тобто мікро з низькими частотами і швидкостями можуть виконувати більше обчислень і завдань. В процесі еволюції архітектури мікропроцесора вона перетворилася з одноядерної в багатоядерну, здатну обробляти кілька частин інформації одночасно.

Історія поколінь мікропроцесора

Компанія Fairchild Semiconductor (ярмарок дитячих напівпровідників), заснована в 1957 році винайшла свою першу інтегральну схему в 1959 році, яка ознаменувала початок історії мікропроцесорів. У 1968 році Гордан Мур, Роберт Нойс та Ендрю Гроув пішли з ярмарку дитячих напівпровідників і заснували власну компанію: Integrated Electronics (Intel). У 1971 році компанія винайшла перший Intel 4004.

Сьогодні існує кілька поколінь архітектур мікропроцесорів:

• 1-е покоління з 1971 по 1973 роки. У 1971 році INTEL 4004 з тактовою частотою 108 кГц. У цей період використовувались інші моделі на ринку, включаючи Rockwell International PPS-4, INTEL-8008 та National Semiconductors IMP-16, вони були пристроями, сумісними з TTL.
• 2-е покоління з 1973 по 1978 рік, реалізовані дуже ефективні 8-розрядні мікропроцесори, такі як Motorola 6800 і 6801, INTEL-8085 і Zilogs-Z80. Внаслідок їх надшвидкої швидкості вони були дорогими, оскільки грунтувалися на виготовленні технології NMOS, проте, незважаючи на ціну, були дуже популярні.
• 3-е покоління архітектури мікропроцесора використовувалося з 1979 по 1980 рік.У цей період були розроблені INTEL 8086/80186/80286 та Motorola 68000 та 68010. Швидкості цих процесорів були в чотири рази краще, ніж у попередників.
• 4-е покоління з 1981 по 1995 рік - були розроблені 32-розрядні мікропроцесори з використанням HCMOS. Intel-80386 та Motorola 68020/68030 були популярними процесорами.
• 5-е покоління стартувало в 1995 році і по теперішній час. У цьому періоді на ринок випустили 64-розрядну архітектуру сучасного мікропроцесора, до яких відносяться Pentium, Celeron, Dual і Quad Core.

Етапи створення Intel Celeron та Pentium

Intel Celeron був представлений в квітні 1998 року і відноситься до ряду процесорів Intel x86 для персональних ПК. Він заснований на Pentium 2 і може працювати на всіх комп`ютерних програмах IA-32.

Історія Intel Celeron:

• 4 /01/2000 - Intel Celeron 533.0 МГц;
• 14/02/2000-мобільний Intel Celeron 450/500 МГц;
• 19/06/2000-мобільний Intel Celeron низької напруги, 500.0 МГц;
• 3/01/2001-Intel Celeron, 800 МГц;
• 2001-Intel Celeron (1,2 ГГц);
• 2002-Архітектура мікропроцесора Intel Celeron (1.3, 2.10, 2.20 ГГц);
• 2003-мобільний процесор Intel Celeron 2 / 2.55 ГГц.
• 2004-Intel Celeron M 320 і 310 (1,3, 1,2 ГГц);
• 2008-Celeron Core 2 DUO (Аллендейл).

Pentium був представлений 2 березня 1993 року. Він змінив архітектуру мікропроцесора Intel 486, цифра 4 вказує на мікроархітектуру четвертого покоління в історії мікропроцесорів. Pentium відноситься до одноядерного Intel x 86, який заснований на архітектурі п`ятого покоління. Назва цього процесора походить від грецького слова penta, що означає "п`ять".

Оригінальний процесор Pentium був замінений на Pentium MMX в 1996 році і має 64-бітну шину даних. Стандартний Одиночний цикл передачі може зчитувати або записувати до 64 біт одночасно. Цикли читання та запису Burst підтримуються процесорами Pentium. Вони використовуються для операцій кешування та передачі 32 байт (розмір рядка кешу Pentium) за 4 такти. Всі операції з кешем є пакетними циклами для нього.

Конструкція центрального процесора

Архітектура мікропроцесора має безліч периферійних пристроїв, що виготовляються на одному кристалі. Він має ALU (арифметично-логічний блок), Блок управління, Регістри, Шинні системи та годинник для виконання обчислювальних завдань.

Мікропроцесор являє собою єдиний пакет мікросхем, в якому ряд корисних функцій інтегрований і виготовлений на одному кремнієвому напівпровідниковому чіпі. Його архітектура складається з центрального процесора, модулів пам`яті, системної шини та блоку вводу / виводу. Системна шина з`єднує різні блоки для полегшення обміну інформацією. Крім того, він складається з шин даних, адрес і управління для належного обміну даними, з чим пов`язане глибинне поняття архітектури мікропроцесора.

Центральний процесор складається з одного або декількох арифметико-логічних блоків (АЛУ), регістрів і блоку управління. На підставі регістрів також можна класифікувати номер покоління. АЛУ обчислює всі арифметичні, а також логічні операції над даними і визначає розмір мікропроцесора, наприклад, 16-бітний або 32-бітний.

Блок пам`яті містить програму, а також дані, і розділений на процесор, первинну і вторинну пам`ять. Блок введення і виведення з`єднує аналогічні периферійні пристрої зв`язку з мікропроцесором для прийому і відправки інформації.

Типи micro в системах

Існує кілька типів мікропроцесорних архітектур, доступних для використання в різних системах:

1. Спільні Процесори. Це додатковий мікропроцесор, що працює поруч з основним. Він спроектований і оптимізований для використання в конкретному завданні і підвищує швидкість обробки за рахунок одночасної роботи з основним. Прикладом цього може бути математичний співпроцесор або прискорювач з плаваючою комою.
2. Скалярний процесор виконує обчислення для одного числа або набору даних за один раз, він встановлений у більшості сучасних комп`ютерів і відомий як однопотоковий з одним потоком команд або, коротше, SISD.
3. Масив ЦП архітектури сучасного мікропроцесора, також відомий як векторний, дозволяє одній інструкції одночасно працювати в декількох точках даних. Він відомий як SIMD-процесор з однією командою множинних даних, широко використовується при прогнозуванні погоди і моделюванні повітряного потоку.
4. Паралельний процесор використовує незалежні мікро для роботи над однією і тією ж програмою. Розглянутий процес розбитий на завдання, кожна з яких може бути оброблена будь-яким з них. Всі вони координуються складною операційною системою. Програми повинні бути спеціально написані для паралельної обробки, інакше деякі не зможуть бути завершені, поки не закриються інші, які залежать від результату поточного процесу.

Мікропроцесори поділяються на п`ять типів: CISC-Complex Instruction Set, мікропроцесор RISC скороченого набору команд, спеціалізована інтегральна схема ASIC, суперскалярні процесори і цифрові сигнальні мікропроцесори DSP.

Ці процесори використовуються для кодування і декодування відео або для перетворення ЦАП (цифро-аналоговий) і А/Ц (аналого-цифровий). Їм потрібен мікропроцесор, який є чудовим у математичних обчисленнях. Мікросхеми цього процесора використовуються в RADAR, домашніх кінотеатрах, SONAR, аудіосистемах, телевізійних приставках і мобільних телефонах.

Еволюція Intel x86

Архітектура Intel x86 розвивалася роками. Від 29 000 транзисторних мікропроцесорів 8086 чотирьохядерний процесор Intel Core 2 містить 820 мільйонів транзисторів, у зв`язку з чим Організація і технологія виробництва кардинально змінилися.

Деякі основні моменти розвитку архітектури x86:

1. 8080-перший у світі мікропроцесор загального призначення. Має архітектуру пам`яті мікропроцесора з 8-бітним шляхом передачі даних в пам`ять. Він використовувався в першому персональний комп`ютер.
2. 8086-16-розрядна машина, набагато потужніша за попередню, мала реальний режим та адресну пам`ять 1 МБ. У неї був більш широкий шлях даних: 16-бітові і більші регістри, а також кеш або чергу команд, які вибиралися перед виконанням.
3. 80286 - має адресну пам`ять 16 МБ і містить два режими: реальний і 16-розрядний режим першого покоління. Він має ширину передачі даних 16 біт і програмну модель теж 16 біт.

80286: 16-бітний microprose

В основному це microprose, є розширеною версією 8086. Тому перед тим, як зрозуміти 80286, потрібно мати мінімальні уявлення про 8086. Intel 8086 - це 16-розрядний мікропроцесор, призначений для використання в якості процесора в мікрокомп`ютерах. Термін 16 біт означає, що його арифметична логічна одиниця, внутрішні регістри, інструкції призначені для роботи з 16-бітовими двійковими кодами. Має 20-бітну адресну шину і 16-бітна шину даних. Отже, це означає, що він може отримати доступ до будь-якого з 1048576 комірок пам`яті і може читати або записувати дані в пам`ять і порти по 16 або 8 біт за раз.

Архітектура мікропроцесора 80286 спеціально розроблена для багатокористувацької та багатозадачної системи. Вона має чотири рівні захисту пам`яті і підтримує операційна система. Продуктивність його більш ніж в два рази вище за такт, ніж у попередників Intel 8086/8088. Складні математичні операції займають менше тактів порівняно з 8086. Він усуває мультиплексування шин і має лінійну адресну шину з 24 адресними рядками, яка може безпосередньо передавати 16 Мб пам`яті. Це підтримується модулем управління пам`яті, і через нього він може віддавати 1 Гбайт пам`яті, також відому як віртуальна. Процесор включає в себе різні вбудовані механізми, які можуть захистити системне ПЗ від користувацьких програм і обмежити доступ до деяких областей пам`яті.

Є два режими роботи для 80286. Режим реальної адреси та режим захищеної віртуальної адреси. В основному в цьому режимі один користувач не заважає іншому. Також вони не можуть втручатися в операційну систему. Ці функції називаються захистом. 80286 містить чотири блоки обробки:

1. Блок шини.
2. Блок інструкції.
3. Блок виконання.
4. Блок адреси.

Поки виконується поточна інструкція, BU попередньо вибирає команду s і зберігає її в черзі з шести байтів. Функція U є розшифрувати відточені інструкції і зберегти чергу з трьох декодованих інструкцій. Блок адреси обчислює адресу пам`яті або пристроїв введення / виводу, який повинен бути відправлений для читання і операції запису. Всі чотири блоки працюють паралельно всередині процесора. Ця реалізація передбачення переходів в архітектурі мікропроцесорів називається конвеєрною.

Наступні напрямки еволюції це мікропроцесор 80386-перша 32-розрядна машина Intel. Завдяки своїй архітектурі вона змогла конкурувати зі складністю та потужністю мікрокомп`ютерів та мейнфреймів, представлених кількома роками раніше. Це був перший процесор, який підтримував багатозадачність і містив 32-бітний захищений режим. У ній реалізована концепція підкачки. Вона має адресовану фізичну пам`ять об`ємом 4 ГБ і ширину передачі даних 32 біта.

80486: технологія кешування

Пізніше в 1989 році на ринок вийшов мікро 80486 і представив концепцію технології кешування і конвеєрну обробку команд. Він містив функцію захисту від запису та пропонував вбудований математичний співпроцесор, який виконує складні операції з основного процесора.

Різновиди мікро 4 покоління:

1. Pentium - використання суперскалярних технік було введено, коли кілька команд почали виконуватися паралельно. Функція розширення розміру сторінки (PSE) була додана в якості незначного поліпшення в підкачці сторінок.
2. Pentium Pro - використовується перейменування регістрів, передбачення розгалужень, аналіз потоків даних, спекулятивне виконання та інші етапи конвеєра. Також були додані передові методи оптимізації в мікрокоді і кеш 2-го рівня. У ньому реалізована трансляція адрес другого покоління, в якій 32-бітний віртуальний адреса транслюється в 36-бітний адресу фізичної пам`яті.
3. Pentium II. Він зміг ефективно обробляти відео, аудіо та графічні дані, використовуючи технологію архітектури мікропроцесора сімейства Intel MMX (набір мультимедійних даних).
4. Pentium III-містить інструкції SMD (потокові розширення) і підтримує програмне забезпечення для 3D-графіки. Він має максимальну тактову частоту процесора 1,4 ГГц і містить 70 нових інструкцій.
5. Pentium IV-реалізує зміни адрес третього покоління, яке перетворює 48-розрядну адресу віртуальної пам`яті в 48-розрядну адресу фізичної пам`яті. Він містить інші покращення з плаваючою комою для мультимедіа.
6. Core-перший мікропроцесор архітектури сімейства Intel з двоядерним процесором, що представляє собою реалізацію двох процесорів на одному чіпі і має додаткову технологію візуалізації.
7. Core 2-розширює архітектуру до 64-розрядних, а ядро 2 Quad забезпечує чотири процесори на одному кристалі. Набір регістрів, а також режими адресації є 64-бітними. Він містить електронну схему з 1,2 мільйон транзисторів. Його робоча частота для його різні версії 25, 33, 66 і 100 МГц. Це в 3-5 разів швидше, ніж 80386. В основному чіп доступний у двох версіях: DX та SX. Версія типу DX є 32-бітовим процесором розміщений в 168-контактному сітковому масиві і може працювати з тактовими частотами від 25 до 66 МГц.

Базис 486-го пристрою

Поняття архітектур, на які діляться мікропроцесори, є комплексним і включає в себе такі елементи, як структурна схема, засоби доступу, розрядність інтерфейсів, формат даних і переривань.

Важливі додаткові особливості 486 процесора в порівнянні з 386 полягають в наступному:

1. Вбудований математичний співпроцесор. В системі 386 математика реалізована на зовнішньому пристрої, отже, такі інструкції в 486 виконуються в три рази швидше.
2. 8 Кбайт коду і кеш-пам`ять даних на чіпі.
3. Высококонвейерное виконання.
4. Виконавчий блок.
5. Пристрій управління.
6. Блок інтерфейсу шини.
7. Блок попередньої вибірки коду.
8. Блок декодування команд.
9. Сегментація n-одиниць виміру.
10. Пейджинговий блок.
11. Блок кешу.
12. Блок з плаваючою точкою.
13. Блок попередньої вибірки коду містить 32-байтову чергу для зберігання витягнутих кодів команд.
14. Блок управління також містить ПЗУ управління для зберігання мікрокодів. Адреса, вказана в програмі, називається логічною адресою. Він також забезпечує 4 рівні захисту для ізоляції та захисту завдань та операційної системи один від одного.
15. Масштабована Архітектура мікропроцесора-поняття має на увазі роботу у вікнах.
16. Модуль пошукового виклику забезпечує виклик об`єкта в межах сегмента.
17. Фізична адреса. Фактичні ємності оперативної пам`яті та ПЗУ, що існують у комп`ютері, відомі як фізична пам`ять.
18. Сегментація і Пейджинговий блок являє собою блок управління пам`яттю.

Блоки RISC

RISC розшифровується як комп`ютер зі скороченим набором інструкцій і є типом стратегії проектування архітектурного процесора. Архітектура мікропроцесора RISC відноситься до способу планування та побудови процесора і може мати відношення або до апаратного забезпечення, або до програмного забезпечення, найближчого до кремнію, на якому він працює. Архітектура набору інструкцій (ISA) визначає базове програмне забезпечення.

Апаратна архітектура комп`ютера вимагає код, який розбиває інструкції на 0 і 1 і який ПК може зрозуміти, також відомий як машинний код. Архітектура процесора може бути зовсім іншою, і програмне забезпечення ISA відображатиме це. Різницю між ними можна знайти в тому, як виконуються завдання, наприклад, обробка регістрів, переривання, адресація пам`яті, Зовнішні входи та виходи.

Іншими словами, машинний код для одного не буде працювати на іншому. Наприклад, настільна версія Windows не буде працювати на смартфоні, оскільки Архітектура відрізняється. Хоча Microsoft заохочує можливе об`єднання в одну ОС для настільних комп`ютерів, ноутбуків і планшетів, починаючи з введення Windows 8.

Існує кілька типів процесорних архітектур та відповідних ISA. Деякі приклади RISC-це ARM, MIPS, SPARC та PowerPC. Сучасні процесори сильно інтегровані та швидші, тому набори інструкцій RISC стають все складнішими, щоб скористатися перевагами вдосконаленої технології.

CISC Архітектура

Для того щоб відповісти на питання, що розуміють під архітектурою мікропроцесора CISC, потрібно розглянути підхід CISC до кількості виконуваних інструкцій. Її головне завдання в цьому питанні-мінімізація обсягу на програму, жертвуючи при цьому кількістю циклів. Комп`ютери на основі архітектури CISC призначені для зниження вартості пам`яті. Великі програми потребують більшого обсягу пам`яті, що збільшує вартість. Щоб вирішити ці проблеми, кількість команд на програму можна зменшити, вкладаючи багато операцій в одну інструкцію, тим самим ускладнюючи її.

MUL завантажує два значення з пам`яті в окремі регістри в CISC. Мікропроцесор використовує мінімально можливі інструкції при реалізації апаратного забезпечення і виконує операції.

Основні ключові слова, використані в наведеній архітектурі:

1. Набір інструкцій-група інструкцій для виконання програми, яка спрямовує комп`ютер, маніпулюючи даними. Форма: код операції (операційний код) і операнд. Операції-це інструкція, що застосовується для завантаження і зберігання даних. Операнд-це регістр пам`яті.
2. Режими адресації-це спосіб доступу до даних. Залежно від типу застосовуваної команди режими адресації бувають різних типів, такі як прямий режим, коли здійснюється доступ до прямих даних, або непрямий режим, де здійснюється доступ до розташування даних.
3. Продуктивність процесора задається основним законом і залежить від кількості команд, CPI (циклів на команду) і часу тактового циклу.

Переваги та недоліки

За форматами використовуваних команд (інструкцій) можна виділити основні види з класифікації архітектур мікропроцесорів: RISC і CISC. Переваги архітектури RISC в тому, що вона має набір інструкцій, тому високорівневі мовні компілятори можуть створювати більш ефективний код. Це дозволяє свободу використання простору на мікропроцесорах через простоту. Багато процесорів RISC використовують регістри для передачі аргументів та зберігання локальних змінних. Функції використовують лише кілька параметрів, і процесори не можуть використовувати інструкції виклику, а отже, використовують метод фіксованої довжини, який легко транслювати.

Швидкість операції може бути максимізована, а час виконання може бути мінімізовано. Потрібна менша кількість форматів навчання, кілька номерів інструкцій, кілька режимів адресації та хороша масштабованість. Поняття масштабована Архітектура мікропроцесора має на увазі використання реєстрових вікон, що забезпечує зручний механізм передачі параметрів між програмами і повернення результатів. Подібний механізм реалізований в SPARC.

Недоліки архітектури RISC викликані тим, що в основному продуктивність Процесори RISC залежать від програміста або компілятора, тому знання компілятора відіграє життєво важливу роль при зміні коду CISC на код RISC. Перестановка CISC у код RISC, який називається розширенням коду, збільшить розмір. І якість цього розширення знову буде залежати від компілятора, а також від набору команд машини. Кеш першого рівня процесорів RISC також є недоліком. Ці процесори мають велику кеш пам`ять на самому чіпі. Для подачі інструкцій їм потрібні дуже швидкі системи пам`яті.

Переваги архітектури CISC-простота мікрокодування нових інструкцій-дозволила розробникам зробити машини CISC більш сумісними. У міру того як кожна ставала досконалішою, для реалізації завдань можна було використовувати менше кількість інструкцій.

Недоліки архітектури CISC:

1. Продуктивність машини сповільнюється через те, що час, витрачений різними інструкціями, буде різним.
2. Лише 20% існуючих інструкцій використовується в типовій події програмування, хоча насправді існують різні спеціалізовані інструкції, які часто не використовуються.
3. Коди умов встановлюються інструкціями CISC як побічний ефект кожної команди, яка потребує часу для цієї установки, і оскільки наступна команда змінює біти коду стану, компілятор повинен перевірити біти коду умови, перш ніж це станеться.

Таким чином, можна підвести межу, що архітектура набору інструкцій-це середовище, яке забезпечує зв`язок між програмістом та обладнанням. Частина виконання і копіювання даних, видалення або редагування - це призначені для користувача команди для конкретного виду архітектур мікропроцесорів.