Главная / Рефераты / Коммуникации и связь

Реферат: Микропроцессоры 3

Содержание.

Микропроцессоры………………………………………………………………….1

Процессоры-клоны…………………………………………………………………2

Микропроцессоры AMD………………………………………………………...…4

Микропроцессоры Cyrix (National Semiconductor)………………………………5

Микропроцессоры с умножением частоты……………………………………….8

Использованные сайты……………………………………………………...……15

Микропроцессоры.

Важнейший компонент любого персонального компьютера, его «мозг» — это микропроцессор (CPU, Central Processor Unit — ЦПУ, или центральное процессорное устройство), который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации. Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, степень интеграции которой определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Иногда интегральные микросхемы называют чипами (англ. chip). Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся, например, регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Количество и разрядность регистров во многом определяют архитектуру микропроцессора.

Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода/вывода). С внешними устройствами микропроцессор может общаться благодаря своим шинам адреса, данных и управления, выведенным на специальные контакты корпуса микросхемы. Разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных, например, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь только 16 внешних линий данных. Объем физически адресуемой микропроцессором памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2N, где N — количество адресных линий.

Процессоры-клоны

Ряд крупнейших фирм — производителей электронных компонентов выпускает микропроцессоры, которые программно и аппаратно совместимы с продукцией Intel. Такие микропроцессоры обычно называют клонами. Производством клонов процессоров семейства x86 в различное время занимались компании AMD, Chips&ampTechnologies, Cyrix (ныне подразделение National Semiconductor), IBM, IDT, IIT, NexGen, SGS Thomson, Texas Instruments, ULSI, UMC, а также отечественная радиоэлектронная промышленность. Точное воспроизведение процессоров Intel невозможно из-за патентных ограничений и запрещено законами об авторском праве, поэтому все процессоры-клоны в той или иной степени аппаратно и программно реализуют некую модель процессора Intel в том виде, в котором его представляют разработчики клона. Поскольку Intel не предоставляет своим конкурентам — производителям клонов всей проектной документации на процессор, то в этих представлениях иногда бывают изъяны, что не раз приводило к неполной совместимости клонов и продукции Intel (например, владельцы процессоров NexGen Nx586 — клонов Pentium, испытывали серьезные трудности с установкой Windows 95). Тем не менее определенный риск неполной совместимости процессора с лихвой компенсируется более низкой ценой клона, его более высокой производительностью или дополнительными возможностями по сравнению с аналогичным процессором Intel, поэтому для каждого поколения процессоров Intel существует рынок клонов. В нынешнем поколении процессоров, выпускаемых AMD и Cyrix/IBM, не обнаружено каких-либо существенных проблем с совместимостью.

На рынке клонов 486-х процессоров основную роль играли компании AMD и Cyrix. AMD выпускала процессоры Am486DX/DX2, а также наиболее производительные процессоры этого класса Am486DX4 и Am5x86-P75+, используя для этого доработанную и улучшенную технологию, лицензированную у Intel. Компания Cyrix производила процессоры собственной разработки Cx486DLC/DX/DX2/DX4 и более производительные Cx5x86. Менее значительными были доли остальных компаний: IBM (серия Blue Lightning), Texas Instruments (TI486SLC/SLC2/SXL/SXL2, TI486DX2/DX4) и UMC (U5S-Super или 486SX2). Существовали также клоны 8086/88-го, 286-го и 386-го процессоров, а также математических сопроцессоров к ним.

В настоящее время понятие «клон» несколько размыто и клоны в чистом виде встречаются редко. Некоторые процессоры компаний-конкурентов Intel реализуют функции, которых нет в процессорах Intel. Например, в процессоре AMD K6-3D набор инструкций 3DNow! реализован весной 1998 года, а Intel планирует ввести аналогичный набор команд KNI в процессор Katmai (см. Ближайшие планы развития процессоров Intel) лишь в начале 1999 года; Cyrix выпускает высокоинтегрированный процессор MegiaGX, аналога которому нет в номенклатуре изделий Intel. Процессоры фирм AMD, Cyrix (National Semiconductor) и IDT поколения P5 (т. е. конкуренты Pentium и Pentium MMX) и P6 (т. е. конкуренты Pentium Pro и Pentium II) правильнее называть не клонами, а аналогами соответствующих процессоров Intel.

Микропроцессоры AMD

Компания AMD имеет богатый опыт производства x86-совместимых процессоров. В настоящее время в эксплуатации можно найти процессоры четвертого, пятого и шестого поколений.

Процессоры четвертого поколения Am486DX/DX2 с тактовыми частотами 33, 40/66 и 80 МГц, рассчитанные на напряжение питания 5 В, имели размер кэш-памяти первого уровня 8 Кбайт. Такой же кэш имели процессоры Am486DX2/DX4, рассчитанные на напряжение 3,45 В и тактовые частоты 66, 80/100 и 120 МГц. Последняя волна 486-х процессоров AMD — Enhanced Am486 с тактовыми частотами 80, 100 и 120 МГц, у которых кэш-память первого уровня поддерживала режим обратной записи (Write Back). К этому же семейству относится и процессор Am5x86-P75+ с тактовой частотой 133 МГц (см. Семейство Am5k86).

Микропроцессоры Cyrix (National Semiconductor)

Компания Cyrix так же, как и AMD, имеет давние традиции производства x86-совместимых процессоров. Среди процессоров четвертого поколения можно отметить процессоры Cx486DX/DX2/DX4, а также скалярный вариант процессора пятого поколения M1, реализованный для архитектуры 486 под названием M1Sc, или Cx5x86 (см. Семейство 6х86).

Современные микропроцессоры — одни из самых сложных электронных устройств, для выпуска которых требуются сотни производственных этапов. Основой производства микропроцессоров является фотолитография: процесс создания схемы кристалла на подложке путем фотомеханического переноса изображений с масок (шаблонов) под воздействием ультрафиолетового освещения. При помощи масок в микропроцессоре слой за слоем создаются структуры с определенными характеристиками. Эти структуры создаются из фоторезиста — вещества, становящегося растворимым при облучении ультрафиолетом. Фоторезист наносится на поверхность кремниевой подложки и облучается через шаблон. На освободившуюся после растворения фоторезиста поверхность вводят примеси, обеспечивающие необходимую электрическую проводимость кремния. Если нужно сформировать непроводящую область, то на поверхности наращивается слой оксида кремния. Процесс повторяется при формировании каждого слоя микропроцессора.

Количественным показателем сложности технологического процесса при выпуске микропроцессоров служит проектная норма точности литографии. Первые процессоры выпускались по проектной норме 10 мкм, а в новейших процессорах Xeon используется уже 0,25-микронная технология. Исключительно жесткие требования предъявляются производственными процессами к чистоте помещений. Сверхчистые помещения, в которых изготавливаются микропроцессоры, называются «чистыми комнатами» первого класса (несколько пылинок на кубический метр). Работающие в этих помещениях люди должны быть такими же чистыми, поэтому персонал сверхстерильных производственных цехов использует специальные костюмы Bunny Suit, знакомые всем из рекламных роликов Intel.

Микропроцессоры семейства х88/x86 отличаются друг от друга внутренней архитектурой, тактовой частотой, разрядностью шин адреса и данных, но совместимы программно.

Микропроцессор i8088 был анонсирован Intel в июне 1979 года, а в 1981 году фирма IBM выбрала его для своего первого персонального компьютера. Этот чип содержал примерно 29 тысяч транзисторов. Благодаря 20 адресным линиям он мог физически адресовать область памяти в 1 Мбайт. Первоначально микропроцессор i8088 работал с частотой 4,77 МГц и имел быстродействие около 0,33 млн. инструкций в секунду (Million Instruction Per Second, MIPS), однако впоследствии были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8 Мгц).

Чип 8086, появившийся на год раньше i8088, стал популярен в основном благодаря компьютеру Compaq DeskPro. Эти микропроцессоры отличаются разрядностью внешней шины данных: 8 разрядов у i8088 и 16 разрядов у i8086. Выпускался также процессор i80186, нашедший применение в основном в микроконтроллерах.

В 1982 году фирма Intel выпустила новый микропроцессор — i80286. На кристалле было реализовано около 130 тысяч транзисторов. Этот чип появился практически одновременно с новым компьютером фирмы IBM — PC/AT. Наряду с увеличением производительности этот микропроцессор мог теперь работать в двух режимах — реальном и защищенном. 24 адресные линии нового микропроцессора позволяли в защищенном режиме обращаться уже к 16 Мбайтам памяти.

В 1985 году фирмой Intel был анонсирован первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Новый чип содержал примерно 275 тысяч транзисторов. Первым компьютером, использующим этот микропроцессор, был Compaq DeskPro 386. Полностью 32-разрядная архитектура (32-разрядные регистры и 32-разрядная внешняя шина данных) в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью (Memory Management Unit, MMU). На тактовой частоте 16 МГц быстродействие нового процессора составило примерно 6 MIPS. 32 адресные линии микропроцессора позволяли физически адресовать 4 Гбайта памяти. Кроме того, был введен новый режим — виртуального процессора (V86). В этом режиме могли одновременно выполняться несколько задач, предназначенных для i8086.

Более дешевая альтернатива 32-разрядному процессору i80386 появилась только в 1988 году. Новый микропроцессор i80386SX имел внутреннюю полностью 32-разрядную архитектуру, но использовал 16-разрядную внешнюю шину данных и 24-разрядную адресную. Полагают, что индекс SX (который впоследствии был заменен на DX) произошел от слова SiXteen (шестнадцать) в соответствии с разрядностью шины данных.

На осенней выставке Comdex в 1989 году фирма Intel впервые анонсировала микропроцессор 486DX, который содержал более 1,2 млн. транзисторов на одном кристалле и был полностью совместим с процессорами ряда х86. Новая микросхема впервые объединила на одном чипе такие устройства, как центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память.

Микропроцессор i80486SX, представленный в 1991 году, подобно оригинальному i80486DX содержит на кристалле кэш-контроллер и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него заблокирован. Исключение затрат на тестирование сопроцессора позволило фирме Intel существенно снизить цены на новый микропроцессор. Для микропроцессоров семейства i80486 допускается адресация физической памяти размером 4 Гбайта (32 разряда адреса) и виртуальной памяти размером 64 Тбайта.

Для портативных компьютеров в 1990 году фирмой Intel был разработан микропроцессор i80386SL, который содержал примерно 855 тысяч транзисторов. Данный микропроцессор представляет собой интегрированный вариант микропроцессора i80386SX, базовая архитектура которого дополнена еще несколькими вспомогательными контроллерами. Все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в двух микросхемах: микропроцессоре i80386SL и периферийном контроллере i82360SL. В набор i80386SL впервые введено новое прерывание, называемое System Management Interrupt (SMI), которое может быть использовано, например, для управления потребляемой мощностью.

Микросхема i80486SL, анонсированная в 1992 году, объединяет характерные черты двух представителей процессорных семейств Intel: i80486DX и i80386SL. По производительности новый процессор не уступает i80486DX, но благодаря пониженному напряжению питания (3,3 В) и развитой технологии управления энергопотреблением (как в i80386SL) он может эффективно использоваться в портативных компьютерах.

Микропроцессоры с умножением частоты

В 1992 году фирма Intel объявила о создании второго поколения микропроцессоров 486, названных i80486DX2(SX2). Скорость работы их внутренних блоков была в 2 раза выше скорости остальной части системы. Тем самым появилась возможность объединения высокой производительности микропроцессора с внутренней тактовой частотой 50/66 МГц и эффективной по стоимости 25/33 МГц системной платы. Одновременно с процессорами DX2 были выпущены процессоры OverDrive, предназначенные для замены устаревших процессоров. Основное различие между процессорами серии DX2 и OverDrive Intel DX2 состоит в том, что первые монтируются на системных платах еще при сборке компьютеров, а вторые могут устанавливаться самими пользователями. Внутренние функциональные узлы подобных микросхем (математический сопроцессор, кэш, устройство управления памятью, арифметико-логическое устройство) используют удвоенную тактовую частоту, в то время как остальные элементы системной платы (системная и внешняя кэш-память, вспомогательные микросхемы) работают с обычной скоростью.

Умножение тактовой частоты (не только в два, но и, например, в полтора, два с половиной или три раза) с тех пор находит широкое применение практически во всех известных процессорах. Так, после DX2 фирма Intel выпустила серию микропроцессоров с умножением частоты в три раза — DX4.

До недавнего времени математический сопроцессор, называемый также арифметическим сопроцессором, представлял собой специализированную интегральную схему, работавшую во взаимодействии с центральным микропроцессором. Данная микросхема была предназначена только для выполнения математических операций с плавающей точкой. Во всех микропроцессорах Intel от 486DX и выше сопроцессор интегрирован на кристалл основного процессора.

Математический сопроцессор необходим при работе с векторной графикой (особенно трехмерной), электронными таблицами, пакетами САПР, специальными математическими пакетами и т. п. При работе же с базами данных или обычными текстовыми редакторами использование сопроцессора не дает ощутимых результатов. Он бесполезен и при работе с сетевыми операционными системами.

Первым математическим сопроцессором для персональных компьютеров IBM был i8087 компании Intel. Далее последовали i80287, i80387, i487SX. Клоны сопроцессоров Intel выпускали такие фирмы, как ULSI, AMD, Cyrix (Texas Instruments), IIT, Chips&ampTechnologies. Кроме того, фирмой Weitek выпускались сопроцессоры, программно не совместимые с продукцией Intel.

Начиная с процессоров пятого поколения (за исключением быстро исчезнувших с рынка NexGen Nx586), сопроцессор стал стандартным компонентом ядра процессора, и поэтому в настоящее время сопроцессоры общего назначения не выпускаются.

Среди путей повышения вычислительной мощности системы наиболее простой заключается в замене базового микропроцессора. Для этой цели предназначены процессоры OverDrive компании Intel, использующие технологию процессоров DX2, DX4 (см. Семейство МП х88/х86), Pentium и Pentium II. Процессоры OverDrive могут различаться математическим сопроцессором (SX или DX), реализацией встроенной кэш-памяти (сквозная или обратная запись), коэффициентами умножения частоты, напряжением питания, возможностью управления энергосбережением. Помимо компании Intel процессорные модули аналогичного назначения выпускает ряд фирм (например, Kingston Technology).

Обычно гнездо для установки процессора (Socket) на материнских платах для 486, Pentium и Pentium Pro конструктивно выполнено так, что позволяет удалять корпус микросхемы при помощи специального рычажка практически без усилий, отсюда и его название — ZIF (Zero Insertion Force). Для компьютеров, основанных на микропроцессоре i486SX, OverDrive-процессор может быть установлен либо в специальное гнездо OverDrive (возможно, ZIF), либо в гнездо, предназначенное для сопроцессора i487SX. Если оба эти гнезда отсутствуют, то для установки OverDrive надо использовать гнездо основного микропроцессора (предварительно удалив старый). Замена i486DX выполняется либо через гнездо OverDrive, либо через гнездо основного микропроцессора (см. Как установить процессор Pentium?). Системные платы на базе микропроцессоров i486DX2 могут иметь гнездо для процессоров OverDrive типа Pentium.

В настоящее время существует несколько типов гнезд OverDrive, отличающихся по количеству контактов и цвету ZIF. Для получения информации относительно способности компьютера поддерживать определенный процессор OverDrive следует обратиться к местному дилеру, изучить описание материнской платы компьютера или воспользоваться руководством «Intel OverDrive Processor Upgrade Guide», содержащим соответствующие данные по тысячам различных моделей.

Одним из новейших процессоров семейства Intel OverDrive является Pentium II OverDrive, предназначенный для замены Pentium Pro. Его можно устанавливать в системы Socket 8, заменяя процессоры Pentium Pro с частотами 150, 166, 180 и 200 МГц. При этом частота работы Pentium II OverDrive составляет 300 (для 150 и 180) и 333 (для 166 и 200) МГц. В Pentium II OverDrive использовано ядро процессора Pentium II Xeon, кэш-память второго уровня работает на частоте процессора, благодаря чему производительность модернизируемых систем увеличивается более чем на 40%.

Тем не менее, модернизация путем замены процессора в настоящее время оказывается все менее и менее эффективной. Во-первых, стоимость OverDrive, как правило, превышает совокупную стоимость нового процессора и материнской платы, а во-вторых, установка быстрого процессора на материнскую плату с устаревшей памятью и медленными контроллерами и напоминает установку дизельного двигателя на «Запорожец» — почти вся производительность мощного процессора будет расходоваться вхолостую во время ожидания отклика от более медленных компонентов.

В 1993 году фирма Intel объявила о начале промышленных поставок процессора Pentium с тактовой частотой 66 и 60 МГц. Системы, построенные на базе Pentium, полностью совместимы с персональными компьютерами, использующими микропроцессоры i8088, i80286, i80386, i80486 (см. Семейство МП х88/х86). Новая микросхема содержала около 3,1 млн. транзисторов и имела 32-разрядную адресную и 64-разрядную внешнюю шину данных.

Архитектура Pentium содержит два арифметико-логических устройства, благодаря чему две команды могут быть выполнены за один такт синхронизации. Pentium имеет также два раздельных кэша по 8 Кбайт: один для команд, другой — для данных. Pentium является первым массовым процессором Intel с суперскалярной архитектурой и динамическим предсказанием переходов в исполняемых программах. При разработке Pentium была существенно повышена производительность модуля вычислений с плавающей запятой, добавлена аппаратная поддержка самотестирования, текущего контроля производительности и расширенной отладки. Благодаря встроенному в Pentium контроллеру прерываний многопроцессорных систем получили распространение двухпроцессорные серверы и рабочие станции на его основе.

Pentium с тактовой частотой 66 МГц имеет производительность около 112 MIPS. Так как методика определения MIPS сильно зависит от особенностей архитектуры процессора и не всегда отражает реальную производительность, с 1992 года для оценки производительности процессоров стали применять интегральные тесты, разработанные некоммерческой ассоциацией SPEC — SPEC92, а затем SPEC95. SPEC95 состоит из двух наборов тестов: CINT95 — для измерения производительности при выполнении целочисленных операций и CFP95 — для измерения производительности при выполнении операций с плавающей точкой. Из входящих в SPEC95 параметров чаще всего применяют два: SPECint95 — среднее геометрическое нормализованных результатов выполнения восьми написанных на языке Си тестовых программ с интенсивным использованием целочисленной арифметики, откомпилированных с глубокой оптимизацией; SPECfp95 — среднее геометрическое нормализованных результатов выполнения десяти написанных на языке FORTRAN тестовых программ с интенсивным использованием операций с плавающей точкой, откомпилированных с глубокой оптимизацией.

Тесты SPEC позволяют не только сравнивать между собой процессоры семейства x86, но процессоры других архитектур (Alpha, PowerPC, MIPS, Sparc, ARM, PA-RISC и др.). Результаты теста SPEC для процессора Pentium с тактовой частотой 200 МГц составляют 5,47 для SPECint95 и 3,68 для SPECfp95 (на материнской плате было установлено 512 Кбайт кэш-памяти второго уровня). Показатель теста Norton SI32 под Windows 95 составляет 44,6.

С течением времени рассчитанные на напряжение 5 В микросхемы Pentium с тактовой частотой 60/66 МГц были сняты с производства. Несколько лет выпускались версии Pentium второго поколения с внутренним умножением частоты в 1,5, 2, 2,5 и 3 раза на 75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66, 150/60, 166/66 и 200/66 МГц и напряжением питания 3,3 В, построенные с использованием 0,6- и 0,35-микронных Би-КМОП процессов. В конце 1997 года был прекращен выпуск процессоров и этой серии, а фирма Intel полностью перешла на производство микропроцессора нового поколения Pentium Pro.

В 1995 году фирма Intel объявила о начале коммерческих поставок микропроцессора нового поколения Pentium Pro. В его основе лежит комбинация технологий, известная как Dynamic Execution: многократное предсказание ветвлений (multiple branch prediction), анализ потоков данных (data flow analysis) и эмуляция выполнения инструкций (speculative execution). Глубина конвейера составляет 14 ступеней (против 5 у Pentium), благодаря чему на исполнение одной команды в среднем приходится на 33% меньше времени. В Pentium Pro впервые реализована архитектура DIB (Dual Independent Bus) — двойная независимая шина. Одна шина, работающая на частоте процессора, связывает процессор и встроенную кэш-память, другая, работающая на внешней тактовой частоте 60 или 66 МГц, — процессор и системную плату. В Pentium Pro впервые введена 128-pазpядная внешняя шина данных.

В 387-контактном PGA-корпусе микросхемы (конструктив Socket 8) размещены два кристалла — собственно процессор и кэш-память второго уровня объемом 256, 512 или 1024 Кбайт, работающая на частоте процессора. На кристалле процессора, как обычно, расположен 16-Кбайтный (8+8) кэш. На сегодняшний день в семейство Pentium Pro входят микропроцессоры с тактовыми частотами 200, 180, 166 и 150 МГц. Pentium Pro поддерживает 2-х и 4-процессорные конфигурации, а также позволяет строить системы с числом процессоров более 4 с применением технологий кластеризации. Pentium Pro способен адресовать до 65 Гбайт оперативной памяти. Недостатком объединения в одном корпусе двух отдельных микросхем (собственно процессора и кэш-памяти второго уровня) является высокая стоимость производства, поскольку при наличии дефекта только в одной из них приходится отбраковывать весь процессор.

Препятствием к дальнейшему повышению тактовой частоты является высокая стоимость изготовления микросхем кэш-памяти, способной работать на одной частоте с процессором. Если микросхема Pentium Pro 150 выпускалась согласно технологическим нормам 0,6 мкм, то все остальные процессоры с более высокой тактовой частотой выпускались с использованием 0,35-микронных Би-КМОП процессов. Число транзисторов основного кристалла составляет примерно 5,5 млн., а кристалла кэш-памяти второго уровня соответственно 15,5, 31 или 62 млн. Процессор весит 90 г и рассеивает мощность до 44 Вт. Напряжение питания процессора составляет 3,3 В.

Процессор оптимизирован для выполнения 32-разрядных инструкций и демонстрирует максимальную производительность под 32-разрядными операционными системами (Windows NT, OS/2, UNIX). 16-разрядные инструкции вызывают частую перезагрузку конвейера, что приводит к меньшей производительности этого процессора в 16 и 16/32-разрядных ОС (MS-DOS, Windows 3.1/3.11, Windows 95). Производительность 200 МГц Pentium Pro с кэшем в 256/512 Кбайт под управлением 32-разрядной ОС UnixWare 2.0 составляет 8,20/8,58 для SPECint95 и 6,21/6,48 для SPECfp95. Показатели теста Norton SI32 под Windows 95 составляют 90 и 97,7 соответственно.

Процессор Pentium Pro и наборы микросхем для него позволяют создавать многопроцессорные системы, благодаря чему основная область применения этого процессора — высокопроизводительные серверы. Pentium Pro с кэшем в 256 Кбайт снят с производства в 1997 году. Выпуск процессоров с кэшем в 512 и 1024 Кбайт прекращен летом 1998 года.

Использованные сайты:

http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/microcpu/

http://ru.wikipedia.org/wiki/

http://www.ferra.ru/online/processors/s25410/

http://www.compitech.ru/html.cgi/rubrikator/micros.htm

http://www.alarmtrade.ru/about/dif_art_about/auto_cpu

http://www.wikiznanie.ru/ru-wz/index.php

http://www.citforum.ru/hardware/microcon/index.shtml

http://www.ref.by/refs/67/15112/1.html

http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/microcpu/vved.htm

http://yas.yuna.ru/?1879053312@0816905216

http://www.sea.com.ua/prodsea/?gr=328

http://naf-st.ru/articles/mpmc/