Сравнительная характеристика МП с 16- и 32-разрядной архитектурой
Микропроцессор.
Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. МП умеет производить сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах типа IBM PC используются МП фирмы INTEL, а также совместимые с ними МП других фирм.
Каждый МП имеет определенное число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации (инф.) МП.
В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных. УУ реализует временную диаграмму и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы МП и связи его с другой аппаратурой через внешние шины МП.
Структуры различных типов МП могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие. Архитектуру МП определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ использовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные МП основаны на МП с 16- и 32-разрядной архитектурой.
МП с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной архитектурой используются принципы параллельной работы, при котором одновременно с выполнением текущей задачи (команды) производятся дополнительная выборка и хранение последующих команд. В МП с 32разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно несколько последовательных команд программы.
Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-разрядных МП адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адресующую 64 Кбайта памяти. В 16-разрядных МП, как правило,
используются 20-разрядные адресные регистры, адресующие 1 Мбайт памяти. В 32-разрядных МП используются 24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 Мбайт до 4 Гбайт памяти.
Для выработки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных, разрядность которой, как правило, совпадает с разрядностью внутренней шины данных, определяемой архитектурой МП. однако для упрощения связи с внешней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разрядность меньшую, чем внутренняя шина данных и регистры данных. Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой имеют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют собой специальные модификации обычных 16-разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощью.
Одним из важных параметров МП является быстродействие, определяемое тактовой частотой его работы, которая обычно задается внешними синхросигналами. Для разных МП эта частота имеет пределы 0,4--33 МГц. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) минимально двух периодов тактовых импульсов ( для выборки команды и ее выполнения). Более сложные команды требуют для выполнения до 10-20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и записи результата в память.
Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд , их гибкостью, развитой системой прерываний.
Электронная память. Содержит операнды и программу, которую выполняет МП. Обычно имеются слова, соответствующие разрядности шины данных МП, которые адресуются адресным пространствам МП. Используются два типа эл. памяти: постоянно запоминающие устройства (ПЗУ) и оперативные запоминающие устройства (ОЗУ).
В ПЗУ хранится инф., которую ЭВМ может использовать сразу после выключения питания. Она включает программы инициализации программноуправляемых периферийных микросхем, программы ядра ОС и в некоторых приложениях интерпритатор какого-либо диалогового языка программирования или наиболее часто используемые прикладные программы.
Для реализации ПЗУ часто применяют микросхемы с прожигаемыми перемычками К556РТ5 (512 байт), К556РТ7 (2 Кбайта), К573РФ4 (8 Кбайт). В современных ЭВМ емкость ПЗУ достигает сотен Кбайт.
ПЗУ является энергозависимой памятью: после выключения питания инф. в нем сохраняется. Инф. в ОЗУ разрушается при выключении питания. В ОЗУ хранятся оперативные данные и программ, используемые МП. Поэтому микросхемы ОЗУ по быстродействию должны быть согласованы с МП, а емкость ОЗУ (вместе с ПЗУ) должна приближаться к приделу, определяемому адресным пространством МП.
Бывают ОЗУ статистические и динамические. Стат. ОЗУ легко сопрягаются с шинами МП, но имеют меньшую емкость по сравнению с динамичес кими. В качестве стат. ОЗУ часто используются микросхемы серии К537 емкостью до 64 Кбайт.
Для сопряжения динам. ОЗУ с МП требуется специальный контроллер, но они обладают большей емкостью по сравнению со статическими. Например, микросхемы серии К565 имеют емкость до 256 Кбайт.
Схемы ввода-вывода. Взаимодействие с оператором через клавиатуру,дисплей и печатающие устройства, запись исполняемых программ из ВЗУ в ОЗУ осуществляют через порты (многоразрядные шины) ввода-вывода. Для управления ВУ разработан ряд микросхем, которые выполняют функции контроллеров ПУ: клавиатуры, дисплея, НГМД и др.
Связь контроллерами ПУ обычно осуществляется через порты ввода-вывода под непосредственным управлением МП. Однако в некоторых ЭВМ используется специальный контроллер прямого доступа к памяти (ПДП), который осуществляет непосредственный обмен инф. Между ОЗУ и ПУ без учета МП. Связь ЭВМ с ПУ производится через стандартизованные интерфейсы ПУ.
ХАРАКТЕРИСТИКИ МП.
МП отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Наиболее распространены модели INTEL-8088, 80286, 80386sx, 80386, 80486 и PENTIUM, они приведены в порядке возрастания производительности и цены. Одинаковые модели МП могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена МП.
ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА указывает, сколько элементарных операций (тактов) МП выполняет в 1 секунду. Тактовая частота измеряется в Мгц. Следует заметить, что разные модели МП выполняют одни и теже операции (например, сложение и умножение) за разное число тактов. Чем выше модель, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех
же операций. Поэтому, например, МП INTEL-80386 работает раза в 2 быстрее INTEL-80286 с такой же тактовой частотой.
МОДЕЛИ МП.
Исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC XT используют МП INTEL-8088. В начале 80-х годов эти МП выпускались с тактовой частотой 4,77 МГц, сейчас они выпускаются с тактовой частотой 8 или 10 МГц (т.е. новые модели работают в 1,7-2,1 раза быстрее). Модели с увеличенной производительностью (тактовой частотой) иногда называются TURBO-XT. Модель IBM PC XT использует более мощный МП INTEL-80286, и ее производительность в 4-5 раз, больше, чем у IBM PC XT. Исходные варианты IBM PC AT работали на Мп с тактовой частотой 6 МГц, сейчас большинство выпускаемых компьютеров этого типа имеет тактовую частоту от 16 до 25 МГц, т.е. они работают в 2-3 раза быстрее. МП INTEL-80286 имеет несколько больше возможностей по сравнению с INTEL-8088, он эти дополнительные возможности используются очень редко, так что большинство программ, работающих на AT, будет работать и на XT.
В 1988-1991 гг. большая часть выпускаемых компьютеров была основана на достаточно мощном МП INTEL-80386. Этот МП (называемый также 80386DX) работает в 2 раза быстрее, чем работал бы 80286 с той же тактовой частотой. Диапозон тактовой частоты 80386DX- от 25 до 40 МГц. Кроме того, 80386 имеет значительно больше возможностей по сравнению с INTEL-8088,в частности содержит мощные средства для управления памятью и команды для 32-разрядных операций (в отличие от 16-разрядных 80286 и 8088).Поэтому многие производители программного обеспечения разрабатывают программы специально для INTEL-80386SX. Фирмой INTEL разработан также МП INTEL-80386SX, он ненамного дороже INTEL-80286SX, но обладает теми же возможностями, что и INTEL-80386, только при более низком быстродействии (приблизительно в 1,5-2 раза).
Получивший в последнее время широкое распространение МП INTEL-80486 (или 80486DX) мало отличается от INTEL-80386,но его производительность в 2-3 раза выше. Среди его особенностей следует отметить встроенную кеш-память и встроенный математический сопроцессор. Фирмой INTEL также разработаны более дешевый, но менее производительный вариант - 80486SX и более дорогой и более быстрый вариант - 80486DX. Тактовая частота 80486 обычно находится в диапазоне 33-66 МГц.
В 1993 г. фирмой INTEL был выпущен новый МП PENTIUM (ранее анансировавшийся под названием 80586). Этот МП еще более мощен, особенно при вычислениях над вещественными числами.
Фирмой INTEL (США) в развитии МП 8086 и 8088 (отечественные аналоги К18110ВМ86 и К1810ВМ88) разработаны высокопроизводительные 16-разрядные Мп 80186, 80286 и 32-разрядные МП 80386, 80386SX, 80486.
Рассмотрим, как пример МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОМПЛЕКТ 80286.
Он включает следующие микросхемы:
80286 - однокристальный 16-разрядный МП;
80287 - однокристальный 80-разрядный математический сопроцессор;
82284 - генератор тактовых сигналов;
82288 - системный контроллер;
82289 - арбитр магистрали.
МП 80286 в 6 раз более производительнее МП 8086. Аппаратура МП обеспечивает гибкую и эффективную защиту памяти, контролируемый доступ к ресурсам ОС, изоляцию индивидуальных прикладных программ друг от друга и малое время реакций на прерывания.
В 80286 используется конвейерный принцип выполнения команд с четырьмя уровнями конвейеризации, реализованными в четырех раздельных логических устройствах: интерфейса шины, адресов команд и исполнительном устройстве. Эти устройства работают одновременно: циклы обращения к памяти, вечисления адресов и контроля защиты, декодирования и выполнения команд могут совмещаться.
Интерфейс шины передает байт инф. по каждому циклу тактовой частоты из своей очереди в устройство команд, которое декодирует и преобразует формат полных данных и помещает их в очередь команд, ожидающих выполнения .
Исполнительное устройтсво содержит рабочие регистры, АЛУ и микропрограммное ПЗУ, которое определяет последовательность внутренних микрокоманд. Когда текущая команда близка к завершению, ПЗУ генерирует сигнал, по которому исполнительное устройство принимает следующий адрес ПЗУ из очереди команд, что обеспечивает непрерывность его работы.
Многоуровневый механизм защиты памяти МП исключительно гибок: можно использовать два, три или четыре уровня защиты для системных программ, обеспечивая качество защиты для системных программ, обеспечивающих качество защиты команд, необходимое для любой конкретной ЭВМ.
Резервируя один уровень привилегированности для расширений ОС, можно специализировать функции ЭВМ, не затрагивая первоначального ПО.
Основным механизмом защиты предусматривается предоставление каждой задаче управляемого доступа к двум областям виртуальной памяти одной общей и одной частной - в соответствии с содержимым глобальной и локальной дескрипторных таблиц:
в глобальном перечисляются сегменты, к которым могут обращаться все системные задачи, с учетом ограничений только по уровням привилегированности;
в локальной перечисляются сегменты которые предоставляются только одной задачи, поскольку в каждую задачу подобная таблица входит как часть описания ее состояния, типичная ЭВМ будет содержать много ло кальных дескрипторных таблиц. Регистр-указатель этой таблицы автоматически загружается наряду с другими регистрами при переключении на данную задачу.
Дескриптор для каждого сегмента содержит базовый адрес, размер сегмента и поле прав доступа. Это поле определяет режим использования инф. данного сегмента.
Регистр признаков 80286 имеет дополнительный признак вложенности и двухразрядный признак уровня привилегированности операций ввода-вывода.
Устройство адресов производит преобразование адресов и одновременно контролирует права доступа; содержит кэш-память (хранит базовый адрес, предельное граничное значение и права доступа для всех сегментов вертуальной памяти, выбранных в данный момент для использования выполняющейся задачей). Наличие кэш-памяти сводит к минимуму необходимость в считывании указанной информации из основной памяти и позволяет устройству адресов выполнять свою функцию за один цикл тактовой частоты.
Параллельная работа четырех внутренних устройств дает возможность 80286 осуществлять управление виртуальной памятью и обеспечивать защиту всей памяти без снижения производительности.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МП 80286
Тактовая частота----------6; 8; 10; 12
Адресное пространство памяти:
физической, Мбайт----------------16
виртуальной на задачу, Гбайт----------1
Число уровней защиты памяти----------4
Пропускная способность шины, Мбайт/с----12,5
Число контактов четырехразрядного корпуса--68
В 80286 предусмотрены 4 иерархических уровня защиты памяти, реализованных аппаратно, что повышает общую производительность ПЭВМ и не требует дополнительных программных затрат на выполнение функций защиты.
Ядро ОС работает на самом высоком уровне и выполняет такие наиболее ответственные функции, как распределение памяти, планирование задач и координацию взаимодействия между задачами. Небольшое по размеру ядро ОС хорошо использует быстродействие процессора, и его можно рассматривать ка расширение физического процессора.
Следующим после уровня ядра ОС идет уровень супервизора, управляющего ресурсами ввода-вывода, распределением буферов данных, глобальным планированием заданий. Программы супервизора имеют больший размер, чем программы на уровне ядра. Наименее надежные программы, например неапробированные программы пользователя, работают на 4 уровне, самом низком уровне привилегированности.
В 80286 имеются 17 регистров. Восемь предназначены для выполнения арифметических вычислений и формирования адресов, и смещений, и обеспечивают программную совместимость с 80286.
Четыре сегментных регистра определяют 4 сегмента области виртуальных адресов, предоставляемых выполняющейся задаче. Это регистры сегментов кода, данных, дополнительного сегмента и стека. Если в 8086 сегментные регистры являлись 16-разрядными, то в 80286 их длина увеличена до 64 разрядов, причем каждый из регистров содержит 16-разрядный сектор и 48-разрядный дескриптор.Задача использует 4 аппаратных сегментных регистра и может иметь доступ максимум к 16 К сегментам. Эти аппаратные регистры перезагружаются каждый раз, когда поступает запрос на новый сегмент, причем это делается прозрачно для программиста.
Использование в команда виртуальных адресов дает каждому пользователю возможность доступа к виртуальной памяти емкостью 1 Гбайт. Сегмент в 80286 - это часть диапазона виртуальных адресов, длина которой может меняться от 1 байта до 64 Кбайт. Средства работы с сегментами переменного размера обеспечивают более эффективное выполнение команд операций подкачки.
Виртуальный адрес состоит из селектора и смещения. Селектор - это индекс-расстояние от базового адреса дескрипторной таблицы до нужного элемента-дескриптора в этой таблице. Смещение - это расстояние до нужного байта данных в указанном сегменте. Набор команд 80286 является расширением расширением команд 8086 и обеспечивает программную совместимость с ним.
Он включает все виды команд 8086 и 80186 и дополнительные команды для работы со средствами управления памятью. Команды 80286 упрощают реализацию сложных