индивидуальные принципы микропроцессоров. Индивидуальные архитектурные принципы микропроцессоров. Понятие об архитектуре эвм

• Название: Понятие об архитектуре эвм
• Анкор: индивидуальные принципы микропроцессоров
• Дата: 10.04.2023
• Размер: 23.95 Kb.
• Имя файла: Индивидуальные архитектурные принципы микропроцессоров.docx
• Тип: Документы; #1051294

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Понятие об архитектуре ЭВМ

 

Совокупность всех программно доступных аппаратных средств процессора принято называть архитектурой.

Понятие архитектуры ЭВМ является комплексным и включает в себя:

• 
  структурную схему ЭВМ;
  
• 
  средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;
  
• 
  организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;
  
• 
  набор и доступность регистров;
  
• 
  организацию и способы адресации памяти;
  
• 
  способы представления и форматы данных ЭВМ;
  
• 
  набор машинных команд;
  
• 
  форматы машинных команд;
  
• 
  обработку нештатных ситуаций (прерываний).
  

Архитектурные принципы микропроцессоров Intel ( i486 и Pentium)

 

Суперскалярная архитектура.

В микропроцессоре i486 появился важный элемент архитектуры – КОНВЕЙЕР – специальное устройство, реализующее такой метод обработки команд внутри микропроцессора, при котором исполнение команды разбивается на несколько этапов.

Например, i486 имеет пятиступенчатый конвейер с такими этапами обработки команд:

-         выборка команды их кэш-памяти или ОП;

-         декодирование команды;

-         генерация адреса (определение операндов в памяти);

-         выполнение операции с помощью арифметико-логического устройства;

-         запись результата.

Таким образом, на конвейере может находиться одновременно пять команд на различной стадии выполнения и существенно возрастает скорость вычислений.

Микропроцессоры, имеющие один конвейер, называются скалярными (например, i486).

Микропроцессоры, имеющие более одного конвейера, называются суперскалярными.

Например, суперскалярными являются микропроцессоры Pentium (2 конвейера), Pentium Pro (3 конвейера по 14 ступеней) и последующие модели.

 Раздельное кэширование кода и данных

Кэширование – способ увеличения быстродействия системы за счет хранения часто используемых данных и кодов в «кэш-памяти 1-го уровня» (быстрой памяти), находящейся внутри микропроцессора.

Так, i486 содержит 1 блок встроенной кэш-памяти размером 8 Кбайт, который используется для кэширования и кодов, и данных.

Pentium содержит уже 2 блока кэш-памяти: один для кода, один для данных (по 8 Кб)  увеличивается скорость работы компьютера за счет одновременного быстрого доступа к коду и данным. 

Предсказание правильного адреса перехода

Под переходом здесь понимается запланированное алгоритмом изменение последовательного характера выполнения программы.

Статистика показывает, что типичная программа на каждые 6-8 команд содержит 1 команду перехода (условные операторы, операторы цикла, оператор безусловного перехода и т.д.)  через каждые 6-8 команд необходимо очищать и заполнять заново конвейер  теряются преимущества конвейеризации.

Поэтому в архитектуру микропроцессоров (Pentium) был введен механизм предсказания переходов. Суть этого механизма заключается в следующем. Вводится специальный буфер адресов перехода, который хранит информацию о последних переходах (для Pentium – о 256 переходах). Для команды, управляющей ветвлением, в буфере запоминаются сама команда, адрес перехода и предположение о том, какая ветвь программы будет выполнена следующей.

Например, в ходе выполнения цикла принимается решение о выходе из цикла либо о переходе на его начало. Блок предсказания адреса перехода прогнозирует решение программы. При этом он основывается на предположении, что ветвь, которая была пройдена, будет использоваться снова (т.е. прогнозируется переход на начало цикла), и загружает соответствующую команду на конвейер. Если предсказание верно, переход осуществляется без задержки  увеличение скорости работы. Вероятность правильного предсказания составляет около 80%. 

Усовершенствованный блок вычислений с плавающей точкой.

Выполняет одну команду с плавающей точкой за один такт микропроцессора.

Вычисления с плавающей точкой – неотъемлемая часть видеоприложений (CAD, 3D-графика и т.п.)

Так, i486DX впервые был интегрирован на одной подложке с математическим сопроцессором. Предыдущие семейства процессоров использовали внешний математический сопроцессор.

В Pentium обычные математические функции вычислений с плавающей точкой (+, *, / ) реализованы аппаратно (целочисленная конвейеризация дополнена четырехтактовыми конвейерными командами вычислений с плавающей точкой). 

Расширенная 64-битовая (Pentium) шина данных

Шина данных является главной магистралью, которая передает информацию между процессором и подсистемой памяти.

Увеличение разрядности шины данных существенно повышает скорость передачи данных.

 

 Особенности процессора 486

Процессор 486 является представителем второго поколения 32-разрядных процессоров. Он сохраняет основные принципы архитектуры процессора 80386, а также обеспечивает полную совместимость со своими предшественниками. Но в то же время он имеет ряд преимуществ.

• 
  В процессор введена внутренняя кэш -память 1-го уровня (Internal cache Level 1) размером 8 Кбайт и предусмотрены средства для двухуровневого кэширования.
  
• 
  В процессор введен математический сопроцессор (в модели процессора 486SX сопроцессор отсутствует).
  
• 
  Повышена производительность обмена по внешней шине — введены так называемые пакетные циклы, передающие одно слово за один такт шины.
  
• 
  В архитектуре процессора применено скоростное RISC-ядро, которое позволяет наиболее часто встречающиеся команды выполнять за один такт.
  
• 
  В структуру введены буферы отложенной записи.
  
• 
  В отдельных моделях предусмотрено внутреннее умножение тактовой частоты (на 2, 2,5 или 3).
  

Особенности процессоров Pentium

Процессоры Pentium относятся к пятому поколению процессоров или к третьему поколению 32-разрядных процессоров. По своим основным архитектурным принципам они совместимы с процессорами 386 и 486. Но имеются существенные отличия, позволяющие говорить о новом поколении:

• 
  Суперскалярная архитектура процессора, то есть процессор имеет два пятиступенчатых параллельно работающих конвейера обработки информации, благодаря чему он способен одновременно выполнять две команды за один такт. Необходимо отметить, что преимущества такой архитектуры проявляются только в случае специальной компиляции программного обеспечения, позволяющей осуществлять параллельную обработку.
  
• 
  Внешняя 64-разрядная шина данных для повышения производительности. Это требует соответствующей организации памяти. Из-за такой особенности процессор иногда неправильно называют 64-разрядным (хотя внутри он все-таки остался 32-разрядным). Внешняя шина адреса процессора — 32-разрядная.
  
• 
  Применение технологии динамического предсказания ветвлений (переходов).
  
• 
  Раздельный кэш для команд и данных объемом 8 Кбайт каждый. Длина строки кэша — 32 байта. Оба кэша работают в режиме обратной записи.
  
• 
  Повышенная в 2—10 раз по сравнению с процессором 486 производительность встроенного математического сопроцессора. В нем применена восьмиступенчатая конвейеризация и специальные блоки сложения, умножения и деления, что позволяет выполнять операции с плавающей точкой за один такт процессора.
  
• 
  Сокращено время (число тактов) выполнения команд.
  
• 
  Предусмотрена возможность построения двухпроцессорных систем.
  
• 
  Введены средства управления энергопотреблением и тестирования.
  

Общие архитектурные свойства.

 

Эти свойства и принципы присущи всем современным машинам фон-неймановской архитектуры. 

Принцип хранимой программы. Согласно этому принципу, код программы и ее данные находятся в едином адресном пространстве в оперативной памяти. С точки зрения процессора нет принципиальной разницы между данными и командами. 

Принцип микропрограммирования. В состав процессора входит блок микропрограммного управления. Этот блок для каждой машинной команды имеет набор действий-сигналов, которые нужно сгенерировать для физического выполнения требуемой машинной команды.

Линейное пространство памяти. Оперативная память (ОП) организована как совокупность ячеек памяти (байтов), которым последовательно присваиваются номера (адреса) 0, 1, 2 … 

Последовательное выполнение программ. Процессор выбирает из памяти команды строго последовательно. Для изменения прямолинейного хода выполнения программы или осуществления ветвления необходимо использовать специальные команды условного и безусловного перехода. 

Безразличие к целевому назначению данных. Машине все равно, какую логическую нагрузку несут обрабатываемые ею данные.
Использованная литература

 

1. Юров В., Хорошенко С. Assembler: учебный курс. – СПб: Питер Ком, 1999. – С. 21-53.

2. Волчок В.А. Микропроцессоры: Избранные лекции. – Гродно: ГрГУ, 1997. – 89 с.