Микропроцессорные системы. Архитектура и проектирование: Учебное пособие

Голосов: 8

Учебное пособие соответствует государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 654600 - "Информатика и вычислительная техника" (Специальность 220100 - "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети"). В пособии даны классификация, краткая характеристика возможностей и применения микропроцессорных средств. Рассмотрены варианты построения архитектуры микропроцессорных (МПС) и мультимикропроцессорных систем, их основные конфигурации и области использования. Особое внимание уделено организации подсистем обработки, управления, памяти и ввода-вывода МПС. Рассмотрены основные задачи проектирования МПС, включая вопросы организации и особенности проектирования МПС на основе однокристальных микроЭВМ и контроллеров. Приведены сведения о средствах разработки, тестирования и отладки МПС. Пособие содержит также краткий обзор истории развития микропроцессорных средств, современного состояния и перспективных проектов МПС. Учебное пособие предназначено для студентов пятого курса, изучающих дисциплину "Микропроцессорные системы".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    DX2 и OverDrive-процессоры (основное различие между процессорами серии
DX2 и OverDrive Intel состоит в том, что первые монтируются на системных
платах ещё при сборке компьютеров, а вторые должны устанавливаться
самими пользователями).

       Технология умножения частоты. Второе поколение микропроцессоров
i486 связано с появлением в начале 1992 года микропроцессоров серии DX2.
Модели серии DX2 используют новую технологию, при которой скорость
работы      внутренних блоков микропроцессора (арифметико-логического
устройства, математического сопроцессора, устройства управления памятью,
кэш-памяти) в два раза выше скорости остальной части системы, в то время как
остальные элементы системной платы (системная и внешняя кэш-память,
вспомогательные микросхемы) работают с обычной скоростью. Например,
процессор 486DX2-66 устанавливается на 33-мегагерцовую системную плату,
что позволяет повысить быстродействие почти в два раза, так как
эффективность кэширования внутренней кэш-памяти составляет около 90
процентов. Тем самым появилась возможность объединения высокой
производительности микропроцессора с внутренней тактовой частотой 50/66
МГц и эффективной по стоимости 25/33-мегагерцовой системной платой.
       Микропроцессоры 486DX4-75, 486DX4-83 и 486DX4-100 семейства
DX4, имеющие кодовое название P24C, имеют кэш-память 16 Кбайт и
предназначены для установки на системные платы, работающие на тактовой
частоте 25 и 33 МГц. Напряжение питания этих процессоров составляет 3,3 В, а
количество транзисторов на кристалле - 1,6 миллиона. По производительности
они занимают нишу между DX2-66 и Pentium-60/66.
       Отметим, что повышение тактовой частоты процессоров сопровождается
существенным увеличением потребляемой мощности. Технология умножения
частоты (не только в два, но и, например, в полтора, два с половиной или три
раза) широко используется во всех современных процессорах.
       Pentium. Процессор Pentium – это, по-видимому, главное достижение
фирмы Intel. Разработка процессора Pentium началась в 1989 году, а в марте
1993 года фирма Intel объявила о начале промышленных поставок 66- и 60-
мегагерцовых версий процессора Pentium (известного ранее как 586 или P5).
Достоинством процессора Pentium является полная совместимость систем,
построенных на базе этого микропроцессора, со 100 миллионами персональных
компьютеров, использующих микропроцессоры i8088, i80286, i80386 и i486.
       Если для 486-х процессоров использовалась CMOS-технология, то для
для производства Pentium фирма Intel применила 0,8-микронную BiCMOS-


технологию. Микросхема процессора имеет более 3 миллионов транзисторов,
32-разрядную адресную и 64-разрядную внешнюю шину данных, что
обеспечивает обмен данными с системной платой со скоростью до 528
Мбайт/с.
       Суперскалярная архитектура процессора Pentium имеет два
пятиступенчатых конвейера, работающих независимо и обрабатывающих две
команды за один такт синхронизации.
       Наиболее интересное новшество, используемое в Pentium, это небольшая
кэш-память Branch Target Buffer - BTB (буфер меток перехода), которая
позволяет динамически предсказывать переходы в исполняемых программах.
Другое новшество заключается в том, что Pentium имеет два раздельных 8-
Кбайтных кэша: один для команд и один для данных. Pentium с тактовой
частотой 66 МГц обеспечивает производительность 112 MIPS (миллионов
операций в секунду).
       Процессор Pentium имеет усовершенствованный встроенный блок с
восьмиступенчатой конвейеризацией для выполнения операций с плавающей
запятой, что позволяет выполнять такие операции за один такт. Высокое
быстродействие процессора Pentium позволило реализовать мультимедийный
приложения, но в настоящее время эти микросхемы сняты с производства.
       Pentium Pro. В 1995 году фирма Intel начала производить
микропроцессор нового поколения - Pentium Pro (ранее именовался P6),
использующий технологию Dynamic Execution, для которой характерны
многократное предсказание ветвлений, анализ потоков данных и эмуляция
выполнения инструкций. Отличительная особенность архитектуры Pentium Pro
− масштабируемость, т.е. возможность объединения большого числа
процессоров.
       Корпус микросхемы (PGA) имеет 387 выводов, содержит отдельный
кристалл кэш-памяти второго уровня (256- или 512-Кбайт, соответственно 15,5
или 31 миллион транзисторов) и кристалл процессора (5,5 миллионов
транзисторов), на котором расположен 16-Кбайтный кэш. При напряжении
питания около 3 В процессор (вместе с кэш-памятью второго уровня)
потребляет около 14 Вт.
       На сегодняшний день в семейство Pentium Pro входят микропроцессоры
с тактовыми частотами 200, 180, 166 и 150 МГц. Микросхема Pentium Pro 150
выпускается согласно технологическим нормам 0,6 мкм, а процессоры с более
высокой тактовой частотой используют уже технологические нормы 0,35 мкм.
       Показатель производительности для Pentium Pro 200 по тесту SPECint92
равен 366, т.е. выше производительности RISC-архитектур.


       Pentium II Xeon. В 1998 году корпорация Intel представила миру самый
мощный процессор архитектуры х86, а именно Pentium II Xeon (на английском
произносится как «Зеон», хотя по нормам русского и греческого языков можно
произносить как «Ксеон»).
       Тактовая частота достигает 450 МГц, а емкость кэш-памяти второго
уровня 2 Мбайт, причем она работает на тактовой частоте процессорного ядра.
Увеличение ёмкости емкость кэш-памяти повышает пропускную способность
системы благодаря мгновенному доступу процессоров к часто используемым
данным и инструкциям. Например, увеличение ёмкости кэша с 512 Кбайт до 1
Мбайт приводит к 20% росту общей производительности системы.
       В связи с таким увеличением ёмкости кэш-памяти увеличиваются
теплоотдача, размеры и вес процессорного блока и поэтому он устанавливается
в разъём новой конструкции Slot 2. Возникает также необходимость контроля
температурного режима блока.
       Большая емкость кэш-памяти второго уровня позволяет получить почти
пропорциональный рост производительности системы по мере установки
дополнительных процессоров с мегабайтным кэшем. Архитектура Xeon,
допускающая 36-разрядную адресацию физической памяти, позволяет
процессору получать доступ к системной памяти ёмкостью до 64 Гбайт.
Однако новый механизм постраничного обмена PSE-36 (Page Size Extension-36)
в настоящее время поддерживают только операционные системы Windows NT,
SCO UnixWare и Sun Solaris, а для остальных − требуется обновить драйвер
блока управления памятью.
       Выпускаются два варианта микросхемных комплектов Intel 450NX
PCIset, оптимизированных для Pentium II Xeon, имеющих одинаковую
структуру ядра, но отличающихся производительностью и ценой: Basic для
серверных систем и Full для систем среднего уровня.
       Комплект Basic PCIset поддерживает до двух разъёмов 32-разрядной
шины PCI, один разъем для 64-разрядной PCI и до 4 Гбайт системной памяти
типа EDO. Комплект Full PCIset имеет более совершенные характеристики: он
поддерживает до четырёх слотов типа EDO. Эти комплекты имеют одинаковую
100-мегагерцовую системную шину и поддерживают многопроцессорные
конфигурации (до четырёх Xeon).
       Появляется возможность согласовать мощность процессора и
производительность подсистемы ввода-вывода: 64-разрядная шина PCI
способна существенным образом повысить общую производительность
системы при использовании оптоволоконной технологии обмена данными с


дисковыми массивами и высокопроизводительных сетевых магистралей на
основе АТМ, Gigabit Ethernet и других.
      Для рабочих и графических станций разработан комплект Intel 440GX
AGPset на базе известного микросхемного набора 440BX. Комплект Intel
440GX дает возможность обращения к памяти ёмкостью до 2 Гбайт, что в два
раза больше, чем у 440BX. Производительность видеоподсистемы рабочих и
графических станций возрастает, поскольку 440GX управляет работой порта
AGP в режиме удвоения частоты(2х) с использованием технологии “двойной
накачки” - данные передаются как по переднему, так и по заднему фронтам
тактовых импульсов (у обычной AGP - только по переднему), при этом полоса
пропускания достигает значения 533 Мбайт/с, а физические параметры
интерфейса AGP остаются прежними.
      Фирма Intel разрабатывает также многопроцессорные системы. Сначала
создавались системы с четырьмя устройствами на одной плате, затем
симметричные мультипроцессорные системы, поддерживающие до восьми
микропроцессоров Xeon. Предусматривается возможность кластерных
решений. Например, в процессорной шине набора Intel 450NX PCIset
предусмотрен разъём кластерного соединения на основе стандартных
четырёхпроцессорных узлов. При использовании архитектуры распределённой
памяти, как правило, не требуется «переписывать» прикладные программы.
      Рассмотренные выше микропроцессоры фирмы Intel реализуют CISC-
архитектуру. Некоторые фирмы (например, AMD, Cyrix, Texas Instruments,
IBM) выпускают процессоры, которые совместимы с рассмотренными выше
процессорами Intel, однако имеют свои характерные особенности. Назовем
также серию МС680ХХ CISC-микропроцессоров фирмы Моtorola.
     Как Intel, так и другие фирмы выпускают гораздо более мощные
процессоры, относящиеся как к CISC-, так и к RISC-архитектуре.
Микропроцессоры с RISC-архитектурой (80860, 80960, 80870, Power PC)
выпускаются или выпускались многими фирмами. В качестве примера,
назовем также проект Alpha AXP фирмы Digital Equipment, первоначально
ориентированный на обработку 64-разрядных приложений в среде Unix, а
позднее дополненный средствами поддержки операционной системы Microsoft
Windows NT.
     Компании IBM, Motorola и Apple совместно реализовали проект создания
семейства RISC-процессоров POWER ( Performance Optimised With Enchanced
RISC ) для широкого профиля применений в качестве серверов и ПК типа
Macintosh. К микропроцессорам с RISC-архитектурой относятся также изделия
ARM (Acorn RISC Machine) фирмы Acorn.
      Если первый микропроцессор, а именно i4004, выпущенный в 1971 году,
имел около 2300 транзисторов и работал на тактовой частоте 750 кГц, то



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика