МПС 3 курс Лекции Лекция 2 Микропроцессор МП Лекция 2 Микропроцессор - BysonHunter/Tavrich_college GitHub Wiki

🏠 Главная · Микропроцессорные системы · 3 курс · Лекции · Лекция 2 Микропроцессор

Лекция 2. Микропроцессор

Курс: «Микропроцессорные системы»

Цель лекции

Сформировать целостное представление о микропроцессоре как центральном устройстве микропроцессорной системы: рассмотреть его назначение, классификацию, основные параметры, внутреннюю структуру и функции, а также проследить основные этапы развития микропроцессоров Intel по материалам исходной презентации.

План

  1. Основные компоненты микропроцессорной системы
  2. Понятие микропроцессора
  3. Классификация микропроцессоров
  4. Основные параметры микропроцессора
  5. Показатели быстродействия
  6. Структура и функции микропроцессора
  7. Память и подсистема ввода-вывода
  8. Логическая структура микропроцессора
  9. История развития микропроцессоров Intel
  10. Итоги
  11. Контрольные вопросы

1. Основные компоненты микропроцессорной системы

Основу микропроцессорной системы (МПС) составляет микропроцессор, который выполняет две основные группы функций:

  • обработку информации;
  • управление работой системы.

Остальные узлы МПС обеспечивают микропроцессор данными, программой и средствами взаимодействия с внешними устройствами.

Для построения работоспособной микропроцессорной системы необходимы как минимум:

  • микропроцессор;
  • память;
  • порты и средства ввода-вывода.

Роль основных компонентов

Компонент Назначение
Микропроцессор Выполняет команды программы, обрабатывает данные и формирует управляющие сигналы
Память Хранит программу, данные, промежуточные и итоговые результаты
Порты ввода-вывода Связывают процессор с внешним миром: датчиками, исполнительными устройствами, терминалами и другой периферией

Пояснение. Микропроцессор сам по себе не является законченной вычислительной системой. Для практической работы ему необходимы память, тактирование, питание и средства обмена с внешними устройствами.

2. Понятие микропроцессора

Микропроцессор (МП) — программно управляемое устройство, выполненное в виде одной или нескольких интегральных схем высокой степени интеграции, которое выполняет арифметические и логические операции и управляет работой микропроцессорной системы.

Микропроцессор можно рассматривать как центральный вычислительный и управляющий узел МПС.

От его характеристик в значительной степени зависят:

  • скорость выполнения программы;
  • объем и тип обрабатываемых данных;
  • доступный объем памяти;
  • способы подключения периферии;
  • энергопотребление;
  • производительность системы в целом.

3. Классификация микропроцессоров

Микропроцессоры можно классифицировать по нескольким признакам.

3.1. По технологии изготовления

В исходном материале выделены следующие технологические группы:

  • МП на полевых транзисторах:
    • p-МДП;
    • n-МДП;
    • КМДП;
    • КНС — «кремний на сапфире»;
  • МП на основе технологий:
    • ТТЛ;
    • ТТЛШ;
    • ИИЛ;
    • ЭСЛ.

Для современных цифровых микросхем особенно важна КМДП/CMOS-технология, позволяющая сочетать высокую плотность интеграции с относительно низким энергопотреблением.

3.2. По назначению

Универсальные микропроцессоры

Предназначены для выполнения широкого круга вычислительных задач.

Примеры областей применения:

  • персональные компьютеры;
  • рабочие станции;
  • серверы;
  • универсальные вычислительные комплексы.

Специализированные микропроцессоры

Ориентированы на определенный класс задач. В исходной презентации к ним относятся:

  • микроконтроллеры;
  • математические микропроцессоры;
  • процессоры обработки данных для специализированных областей.

Пояснение. Чем уже специализация процессора, тем эффективнее он может выполнять определенный тип операций, но тем меньше круг универсальных задач, для которых он оптимален.

3.3. По количеству одновременно выполняемых программ

Тип Характеристика
Однопрограммные Выполняется одна программа; переход к следующей происходит после завершения предыдущей
Многопрограммные Работа организуется так, чтобы процессор обслуживал несколько программ

3.4. По временной организации работы

Синхронные микропроцессоры

Работа узлов согласуется тактовыми сигналами. Начало и завершение операций определяются устройством управления и временной организацией процессора.

Асинхронные микропроцессоры

Начало следующей операции может определяться фактическим завершением предыдущей операции.

3.5. По архитектуре системы команд

В исходной презентации рассматриваются два распространенных подхода:

  • CISC;
  • RISC.

CISC

Архитектура с развитой системой команд, включающей относительно сложные операции.

RISC

Архитектура с сокращенным набором сравнительно простых команд, ориентированная на регулярное и быстрое их выполнение.

Дополнительное пояснение. В современной технической литературе CISC обычно расшифровывается как Complex Instruction Set Computer, а RISC — Reduced Instruction Set Computer. На практике современные процессоры могут сочетать идеи обоих подходов.

3.6. По аппаратной реализации

  • однокристальные — процессор реализован одной БИС;
  • многокристальные — процессорная часть распределена между несколькими БИС;
  • секционные — процессор строится из нескольких функциональных секций и допускает аппаратное наращивание разрядности.

4. Основные параметры микропроцессора

При выборе и сравнении микропроцессоров учитывают совокупность характеристик.

Параметр Что характеризует
Архитектура Принципы построения процессора и организации его работы
Разрядность Количество бит, с которыми процессор может эффективно работать за одну операцию
Система команд Набор машинных команд, доступных программисту и компилятору
Семейство Совместимые или эволюционно связанные модели процессоров
Тактовая частота Частота тактового сигнала, синхронизирующего работу узлов
Быстродействие Практическая скорость выполнения операций и программ
Параметры внешних шин Разрядность, частота и организация обмена
Интерфейсы Способы подключения памяти и внешних устройств
Напряжение питания Требуемые уровни питающих напряжений
Энергопотребление Электрическая мощность и эффективность вычислений
Теплоотвод Требования к охлаждению
Тип корпуса Габариты, количество и тип выводов
Удельная производительность Производительность относительно частоты или энергопотребления

4.1. Разрядность

Разрядность влияет на:

  • размер машинного слова;
  • диапазон целых чисел;
  • организацию регистров;
  • ширину шин;
  • эффективность обработки данных определенного формата.

Важно различать:

  • разрядность внутренних регистров;
  • разрядность шины данных;
  • разрядность адресной шины.

Эти значения не обязательно совпадают.

4.2. Тактовая частота

Тактовая частота измеряется в герцах:

  • кГц — килогерцы;
  • МГц — мегагерцы;
  • ГГц — гигагерцы.

Высокая частота сама по себе не гарантирует более высокую производительность: на скорость работы также влияют архитектура, число выполняемых за такт операций, кэш-память, конвейер, система команд и организация памяти.

5. Показатели быстродействия

5.1. MIPS

MIPS — Million Instructions Per Second — число миллионов машинных инструкций, выполняемых процессором за одну секунду.

Пример:

20 MIPS = примерно 20 миллионов инструкций в секунду

MIPS удобно использовать для ориентировочной оценки быстродействия в рамках сходных процессоров и сопоставимых тестов.

Дополнительное пояснение. Значения MIPS различных архитектур нельзя безусловно сравнивать напрямую: одна «инструкция» в разных системах команд может выполнять различный объем работы.

5.2. BogoMIPS

BogoMIPS — используемая в Linux условная величина, предназначенная прежде всего для внутренней калибровки программных задержек.

В исходном материале приводится шутливое описание BogoMIPS как показателя того, «сколько миллионов раз в секунду компьютер может абсолютно ничего не делать».

BogoMIPS не следует использовать как полноценный показатель производительности процессора.

5.3. FLOPS

FLOPS — Floating Point Operations Per Second — количество операций с плавающей запятой, выполняемых за одну секунду.

FLOPS особенно важен для задач:

  • научных вычислений;
  • инженерного моделирования;
  • обработки сигналов;
  • графики;
  • машинного обучения;
  • суперкомпьютерных расчетов.

Производные единицы FLOPS

Наименование Обозначение Значение
FLOPS FLOPS 10⁰
килоFLOPS kFLOPS 10³
мегаFLOPS MFLOPS 10⁶
гигаFLOPS GFLOPS 10⁹
тераFLOPS TFLOPS 10¹²
петаFLOPS PFLOPS 10¹⁵
эксаFLOPS EFLOPS 10¹⁸
зеттаFLOPS ZFLOPS 10²¹
йоттаFLOPS YFLOPS 10²⁴

В исходной презентации дополнительно приведена величина 10²⁷.

5.4. Примеры производительности вычислительных систем

Суперкомпьютеры

Система Год Производительность по материалам презентации
ЭНИАК 1946 300 FLOPS
IBM 709 1957 5 kFLOPS
БЭСМ-6 1968 1 MFLOPS
Cray-1 1974 160 MFLOPS
БЭСМ-6 на базе Эльбрус-1К2 1980-е 6 MFLOPS
Эльбрус-2 1984 125 MFLOPS
Cray Y-MP 1988 2,3 GFLOPS
Электроника СС БИС 1991 500 MFLOPS
ASCI Red 1993 1 TFLOPS
Blue Gene/L 2006 478,2 TFLOPS
Jaguar 2008 1,059 PFLOPS
IBM Roadrunner 2008 1,105 PFLOPS
IBM Sequoia 2012 20 PFLOPS

Персональные компьютеры

Система Год Производительность по материалам презентации
IBM PC/XT 1983 6,9 kFLOPS
Intel 80386, 40 МГц 1985 0,6 MFLOPS
Intel Pentium, 75 МГц 1993 7,5 MFLOPS
Intel Pentium II, 300 МГц 1997 50 MFLOPS
Intel Pentium III, 1 ГГц 1999 320 MFLOPS
AMD Athlon 64, 2,211 ГГц 2003 840 MFLOPS
Intel Core 2 Duo, 2,4 ГГц 2006 1,3 GFLOPS

Примеры процессоров в вычислительных тестах

  • Intel Core 2 Duo E7300 2,66 ГГц — 19,34 GFLOPS;
  • Intel Core 2 Duo E8400 3,0 ГГц — 18,6 GFLOPS;
  • Intel Core 2 Duo E8400 3,0 ГГц, разогнанный до 4,0 ГГц — 25 GFLOPS;
  • Intel Core 2 Quad Q9450 2,66 ГГц, разогнанный до 3,5 ГГц — 48 GFLOPS.

Важно. Результат FLOPS зависит не только от процессора, но и от методики тестирования, типа вычислений, используемого программного обеспечения и реализации алгоритмов.

6. Структура и функции микропроцессора

6.1. Типовая структурная схема

На рисунке показан один из вариантов представления основных узлов микропроцессора и их взаимодействия с памятью и устройствами ввода-вывода.

Рисунок 1 — Типовая структурная схема микропроцессора

На схеме можно выделить:

  • регистр команд;
  • дешифратор команд;
  • блок микропрограммного управления;
  • операционный блок;
  • регистры общего назначения;
  • счетчик команд PC;
  • память программ;
  • память данных;
  • устройства ввода-вывода;
  • шину данных;
  • шину адреса.

Упрощенная последовательность выполнения команды

  1. Счетчик команд PC формирует адрес следующей команды.
  2. Адрес передается в память.
  3. Код команды считывается по шине данных.
  4. Команда помещается в регистр команд.
  5. Дешифратор команд определяет требуемую операцию.
  6. Устройство управления формирует управляющие сигналы.
  7. Операционный блок выполняет требуемую обработку.
  8. Результат помещается в регистр, память или передается внешнему устройству.
  9. Процессор переходит к следующей команде.

6.2. Более детализированная внутренняя структура

Рисунок 2 — Взаимодействие внутренних регистров, АЛУ, устройства управления и шин

На рисунке представлены:

  • АЛУ — арифметико-логическое устройство;
  • аккумулятор;
  • буферные регистры;
  • регистр состояния;
  • регистры общего назначения (РОН);
  • указатель стека;
  • счетчик команд;
  • устройство управления;
  • регистр адреса памяти;
  • внутренняя шина данных;
  • внешняя шина данных;
  • адресная шина;
  • управляющие сигналы.

Пояснение. В реальном процессоре число и назначение регистров, организация шин и устройство управления зависят от конкретной архитектуры. Схема показывает общий принцип, а не единственно возможную реализацию.

Упрощенный алгоритм взаимодействия компонентов:

  1. Счётчик команд выдаёт адрес команды.
  2. Адрес записывается в регистр адреса памяти.
  3. Память получает адрес по адресной шине.
  4. Устройство управления формирует сигнал чтения.
  5. Код команды поступает по шине данных.
  6. Код записывается в регистр команд.
  7. Дешифратор определяет назначение команды.
  8. Устройство управления формирует управляющие сигналы.
  9. Операнды считываются из РОН, аккумулятора или памяти.
  10. Операнды помещаются в буферные регистры.
  11. АЛУ выполняет требуемую операцию.
  12. Результат записывается в аккумулятор, РОН или память.
  13. Регистр состояния получает признаки результата.
  14. Процессор начинает выборку следующей команды.

6.3. Основные функции микропроцессора в МПС

Микропроцессор выполняет:

  1. выборку команд программы из основной памяти;
  2. дешифрацию команд;
  3. выполнение арифметических, логических и других операций;
  4. управление пересылкой данных:
    • между регистрами;
    • между регистрами и памятью;
    • между процессором и устройствами ввода-вывода;
  5. обработку сигналов от внешних устройств;
  6. обслуживание прерываний;
  7. координацию работы основных узлов микропроцессорной системы.

Таким образом, работа микропроцессора представляет собой многократно повторяющийся цикл:

выборка команды → декодирование → выполнение → сохранение результата → переход к следующей команде

7. Память и подсистема ввода-вывода

7.1. Постоянная память — ПЗУ (ROM)

Постоянная память используется для долговременного хранения информации.

В ней могут находиться:

  • программы начального запуска системы;
  • программа, выполняемая после аппаратного сброса;
  • встроенное программное обеспечение;
  • постоянные таблицы и параметры.

Основное свойство ПЗУ — сохранение информации после отключения питания.

7.2. Оперативная память — ОЗУ (RAM)

Оперативная память используется для временного хранения:

  • переменных;
  • промежуточных результатов;
  • стека;
  • буферов обмена;
  • загруженных программ и данных.

После отключения питания содержимое обычной RAM, как правило, теряется.

7.3. Подсистема ввода-вывода

Подсистема ввода-вывода (ПВВ) обеспечивает обмен информацией между микропроцессором и периферийными устройствами.

Она может включать интерфейсные микросхемы и контроллеры, выполняющие:

  • прием данных от внешних устройств;
  • передачу данных внешним устройствам;
  • согласование уровней и форматов сигналов;
  • буферизацию;
  • формирование сигналов готовности;
  • обработку запросов прерывания.

Важно различать:
подсистема ввода-вывода — это аппаратные средства, обеспечивающие обмен;
периферийное устройство — конкретное внешнее устройство: клавиатура, дисплей, накопитель, датчик, исполнительный механизм и т. п.

8. Логическая структура микропроцессора

Логическая структура микропроцессора — состав функциональных логических блоков и связей между ними.

Она определяется:

  • назначением процессора;
  • архитектурой;
  • системой команд;
  • способом организации управления;
  • требованиями к производительности;
  • требованиями к памяти и вводу-выводу.

Одни и те же архитектурные функции могут быть реализованы различными схемотехническими способами. Поэтому два процессора, выполняющие сходные команды, могут существенно различаться внутренней структурой и скоростью работы.

8.1. Общая логическая структура

Рисунок 3 — Управляющая и операционная части микропроцессора

I. Управляющая часть

Сокращение Назначение
БУПК Блок управления последовательностью команд
БУВОп Блок управления выполнением операций
БУФКА Блок управления формированием кодов адресов
БУВП Блок управления виртуальной памятью
БЗП Блок защиты памяти
БУПРПр Блок управления прерыванием работы процессора
БУВВ Блок управления вводом-выводом
БС Блок синхронизации

Управляющая часть определяет, что и когда должны выполнять остальные узлы процессора.

II. Операционная часть

Сокращение Назначение
РгСОЗУ Регистровое сверхоперативное запоминающее устройство
АЛБ Арифметико-логический блок
БДА Блок дополнительной арифметики

Операционная часть непосредственно выполняет обработку данных.

Главное различие

Управляющая часть → формирует последовательность управляющих действий.
Операционная часть → выполняет операции над данными.

9. История развития микропроцессоров Intel

Примечание к историческому разделу. Датировки и числовые характеристики ниже перенесены и перекомпонованы по исходной презентации. Внешняя историческая верификация при подготовке этого конспекта не выполнялась.

Для удобства историю развития процессоров Intel можно представить не как набор отдельных слайдов, а как последовательность этапов архитектурного развития.

9.1. Краткая хронология

Год по презентации Процессор Ключевой этап
1971 Intel 4004 Первый микропроцессор Intel, 4-битная архитектура
1972 Intel 8008 Переход к 8-битной обработке
1974 Intel 8080 Популярный 8-битный процессор, развитие персональных микрокомпьютеров
1976 Intel 8086 16-битный процессор, начало архитектурной линии x86
1977 Intel 8088 16-битное ядро с 8-битной внешней шиной данных
1982 Intel 80286 Защищенный режим и развитие аппаратной поддержки многозадачности
1982 Intel 80386 Переход к 32-битной архитектуре
1989 Intel 486 Внутренний кэш, дальнейшая интеграция функций процессора
1993 Pentium Новый этап повышения производительности x86
1995 Pentium Pro Архитектура P6, ориентация на серверы и рабочие станции
1997 Pentium II MMX, развитие платформы ПК
1998 Celeron Бюджетная линейка процессоров
1999 Pentium III Дальнейшее развитие Pentium II и расширение возможностей
1999 Celeron Coppermine-128 Бюджетная линия на основе ядра Coppermine

9.2. Этап 1. Зарождение микропроцессоров: Intel 4004 и 8008

Intel 4004 — 1971

В исходной презентации Intel 4004 представлен как первый микропроцессор Intel.

Характеристики:

  • разрядность данных — 4 бита;
  • адресуемая память — 640 байт;
  • тактовая частота — 108 кГц;
  • производительность — 0,06 MIPS;
  • число транзисторов — 2300;
  • технологическое разрешение — 10 мкм.

Смысл этапа: микропроцессор перенес функции центрального процессора в интегральную микросхему и открыл путь к компактным программируемым устройствам.

Intel 8008 — 1972

Intel 8008 стал следующим этапом развития:

  • 8-битные регистры;
  • увеличение памяти команд до 16 Кбайт;
  • внутренний стек с ограничением по глубине;
  • применение в терминалах и вычислительных устройствах.

Что изменилось между 4004 и 8008

4 бита → 8 бит
небольшие специализированные вычисления → более универсальная обработка данных
рост адресуемой памяти → более сложные программы

9.3. Этап 2. Intel 8080 и появление массовых микрокомпьютеров

Intel 8080 — 1974

Основные характеристики по презентации:

  • разрядность — 8 бит;
  • частота — 2 МГц;
  • число транзисторов — 6000;
  • адресная шина — 16 бит;
  • шина данных — 8 бит;
  • технологический процесс — 10 мкм;
  • питание: +5 В, −5 В, +12 В.

Intel 8080 стал основой множества терминалов, контроллеров и микрокомпьютеров.

На его базе компания MITS создала Altair 8800, который в презентации рассматривается как один из ключевых этапов распространения общедоступных персональных компьютеров.

В СССР архитектурные идеи Intel 8080 нашли отражение в процессорах:

  • 580ИК80;
  • КР580ВМ80.

Почему Intel 8080 важен

Intel 8080 хорошо показывает переход от микропроцессора как компонента специализированного устройства к центральному элементу полноценного программируемого микрокомпьютера.

9.4. Этап 3. Переход к x86: Intel 8086 и 8088

Intel 8086 — 1976 по материалам презентации

Intel 8086 представлен как первый 16-битный процессор рассматриваемой линии.

Основные особенности:

  • 29 000 транзисторов;
  • 16-битные регистры;
  • 16-битная шина данных;
  • 20-битная адресная шина;
  • адресуемое пространство — 1 Мбайт;
  • начало архитектурной линии x86.

Intel 8088 — 1977 по материалам презентации

8088 являлся близким родственником 8086:

  • внутренние регистры — 16-битные;
  • адресная часть — 20-разрядная;
  • система команд близка к 8086;
  • внешняя шина данных уменьшена до 8 бит.

Это позволяло применять более простую и дешевую внешнюю схемотехнику, но снижало скорость передачи 16-битных данных.

Главное изменение этапа

8-разрядная эпоха → 16-разрядная архитектура
рост адресного пространства → более крупные программы и данные
формирование линии x86 → длительная программная совместимость поколений

9.5. Этап 4. Защищенный режим и 32-битная архитектура

Intel 80286 — 1982

В исходном материале 80286 связывается с развитием аппаратной поддержки многозадачности и появлением защищенного режима.

Характеристики:

  • 134 000 транзисторов;
  • техпроцесс — 1,5 мкм;
  • 16-битная шина данных;
  • 24-битная адресная шина;
  • до 16 Мбайт физической памяти;
  • расширенные средства управления памятью.

Intel 80386 — 1982 по материалам презентации

В презентации 80386 характеризуется как процессор с полностью 32-битной архитектурой.

Указаны:

  • до 4 Гбайт физической памяти;
  • до 64 Тбайт виртуальной памяти;
  • 275 000 транзисторов;
  • развитие механизма виртуальной памяти;
  • значительное увеличение сложности процессора.

Архитектурный смысл этапа

На этом этапе микропроцессор становится не только устройством вычислений, но и аппаратной основой для:

  • разделения памяти;
  • защиты программ друг от друга;
  • виртуальной памяти;
  • многозадачных операционных систем.

9.6. Этап 5. Intel 486: увеличение интеграции

Intel 486 — 1989

Одним из важных нововведений в презентации назван внутренний кэш объемом 8 Кбайт, общий для данных и команд.

Особенности описанного кэша:

  • 4-канальная наборно-ассоциативная организация;
  • 128 наборов;
  • 4 строки в наборе;
  • строка — 16 байт.

Если нужного байта нет в кэше, из оперативной памяти загружается целая строка, содержащая требуемые данные.

Пояснение. Кэш-память уменьшает число медленных обращений к основной памяти. Это один из ключевых способов повышения производительности процессоров.

9.7. Этап 6. Pentium: повышение производительности x86

Pentium — 1993

В презентации Pentium рассматривается как новый этап развития x86 с использованием ряда идей, характерных для высокопроизводительных архитектур.

Указаны:

  • техпроцесс — 0,8 мкм;
  • 3,1 млн транзисторов;
  • первоначальные частоты — 60 и 66 МГц;
  • последующее развитие до 75, 90, 100, 120, 133, 150 и 200 МГц.

Ключевая тенденция

Рост производительности начинает зависеть уже не только от увеличения частоты, но и от совершенствования внутреннего выполнения команд.

9.8. Этап 7. Архитектура P6: Pentium Pro

Pentium Pro — 1995

Pentium Pro — процессор шестого поколения архитектуры x86.

По материалам презентации:

  • анонсирован 1 ноября 1995 года;
  • ориентировался главным образом на серверы и рабочие станции;
  • поддерживал многопроцессорные конфигурации;
  • использовал архитектурное ядро P6.

Pentium Pro показывает переход к более сложной внутренней микроархитектуре, ориентированной на эффективное выполнение программ общего назначения.

9.9. Этап 8. Pentium II

Pentium II — 1997

Pentium II был основан на развитии Pentium Pro.

В презентации отмечены:

  • блок MMX;
  • улучшенная обработка 16-разрядных приложений;
  • применение памяти SDRAM;
  • развитие графической шины AGP.

Это поколение отражает развитие процессора одновременно с развитием всей платформы персонального компьютера: памяти, графики и мультимедийных возможностей.

9.10. Этап 9. Celeron: разделение процессоров по рыночным сегментам

Celeron — 1998

Celeron — семейство бюджетных x86-совместимых процессоров Intel.

Основная идея семейства:

  • снизить стоимость компьютера;
  • сохранить совместимость с основной программной платформой;
  • предложить более доступный процессор ценой снижения части характеристик относительно старших моделей.

Пояснение. Появление отдельных бюджетных, массовых и профессиональных линеек показывает зрелость рынка микропроцессоров: разные модели начинают проектироваться не только по принципу «новее — быстрее», но и для разных классов задач и стоимости системы.

9.11. Этап 10. Pentium III

Pentium III — 1999

Pentium III развивал архитектурные решения Pentium II.

В презентации указаны различные варианты:

  • Pentium III;
  • Pentium III Xeon;
  • мобильные версии;
  • процессоры, связанные с бюджетной линией Celeron.

Процессор сохранил:

  • MMX;
  • механизмы динамического выполнения команд;

и получил новые возможности, повышающие производительность при сопоставимой тактовой частоте.

9.12. Celeron Coppermine-128

Celeron Coppermine-128 — 1999

Процессор относится к семейству Celeron поколения Pentium III.

По материалам презентации:

  • ядро основано на Coppermine;
  • объем кэша L2 — 128 Кбайт;
  • начальная частота FSB — 66 МГц;
  • в 2001 году представлен Celeron 800 с FSB 100 МГц.

9.13. Как менялись микропроцессоры

Историю из презентации удобно свести к нескольким устойчивым направлениям развития.

1. Рост разрядности

4 бита → 8 бит → 16 бит → 32 бита

Рост разрядности расширяет возможности обработки данных и тесно связан с развитием регистров, памяти и шин.

2. Увеличение адресуемой памяти

сотни байт → килобайты → мегабайты → гигабайты

Чем больше адресное пространство, тем более сложные программы и наборы данных может обслуживать система.

3. Рост степени интеграции

тысячи транзисторов → сотни тысяч → миллионы транзисторов

В процессор постепенно интегрировались функции, ранее требовавшие отдельных микросхем.

4. Усложнение управления памятью

Развитие процессоров сопровождалось появлением:

  • защищенного режима;
  • аппаратной защиты памяти;
  • виртуальной памяти;
  • механизмов поддержки многозадачности.

5. Развитие внутренних механизмов ускорения

Появлялись и совершенствовались:

  • кэш-память;
  • конвейеризация;
  • более сложное выполнение команд;
  • специализированные блоки;
  • мультимедийные расширения.

6. Разделение процессоров по назначению

Со временем появились отдельные продуктовые направления:

  • массовые процессоры;
  • бюджетные модели;
  • серверные решения;
  • мобильные процессоры.

10. Итоги

После изучения лекции важно понимать следующие положения.

  1. Микропроцессор — центральный вычислительный и управляющий узел МПС.
  2. Он работает совместно с памятью и подсистемой ввода-вывода.
  3. Микропроцессоры классифицируют по:
    • назначению;
    • технологии;
    • архитектуре системы команд;
    • организации работы;
    • аппаратной реализации.
  4. Основные характеристики процессора нельзя сводить только к тактовой частоте.
  5. Для оценки быстродействия применяются различные показатели:
    • MIPS;
    • FLOPS;
    • специализированные тесты.
  6. Типовой процессор включает:
    • регистры;
    • АЛУ;
    • устройство управления;
    • счетчик команд;
    • средства работы с памятью и вводом-выводом.
  7. Внутреннюю структуру удобно разделять на:
    • управляющую часть;
    • операционную часть.
  8. Историческое развитие микропроцессоров связано с:
    • ростом разрядности;
    • увеличением адресуемой памяти;
    • ростом числа транзисторов;
    • интеграцией кэш-памяти и специализированных блоков;
    • развитием средств защиты и управления памятью;
    • усложнением микроархитектуры.

11. Контрольные вопросы

  1. Что называется микропроцессором?
  2. Какие устройства являются основными компонентами микропроцессорной системы?
  3. Для чего в МПС необходима память?
  4. Каково назначение подсистемы ввода-вывода?
  5. По каким признакам можно классифицировать микропроцессоры?
  6. Чем универсальный микропроцессор отличается от специализированного?
  7. В чем состоит различие подходов CISC и RISC?
  8. Что такое разрядность микропроцессора?
  9. Чем разрядность процессора отличается от разрядности шины данных и шины адреса?
  10. Что характеризует тактовая частота?
  11. Что означает показатель MIPS?
  12. Почему BogoMIPS нельзя считать полноценным тестом производительности?
  13. Что измеряется в FLOPS?
  14. Какие основные узлы можно выделить в типовой структуре микропроцессора?
  15. Какова роль счетчика команд?
  16. Какова роль регистра команд?
  17. Что выполняет арифметико-логическое устройство?
  18. Какие функции выполняет устройство управления?
  19. Чем ПЗУ отличается от ОЗУ?
  20. Что такое управляющая и операционная части микропроцессора?
  21. Какие изменения характеризуют развитие процессоров Intel от 4004 до Pentium?
  22. Почему увеличение тактовой частоты не является единственным способом повышения производительности?

Термины и сокращения

Сокращение Значение
МП микропроцессор
МПС микропроцессорная система
АЛУ арифметико-логическое устройство
ПЗУ / ROM постоянное запоминающее устройство
ОЗУ / RAM оперативное запоминающее устройство
ПВВ подсистема ввода-вывода
ПУ периферийное устройство
PC счетчик команд (Program Counter)
MIPS Million Instructions Per Second
FLOPS Floating Point Operations Per Second
CISC Complex Instruction Set Computer
RISC Reduced Instruction Set Computer
FSB Front Side Bus

Примечание: изображения в конспекте извлечены из исходной презентации и сохранены без перерисовки и изменения содержимого.

← Лекция 1. Общие понятия микропроцессорных систем · Лекция 3. Представление данных и операции над ними в микропроцессорных системах →

Оригинал материала на GitHub