Банк Рефератов - Процессоры. История развития. Структура. Архитектура

Рефераты. Процессоры. История развития. Структура. Архитектура p> Управление заполнением кэша возможно и на аппаратном и на программном уровнях. Процессор позволяет кэшировать любую область физической памяти.
Внешние схемы могут запрещать процессору кэшировать определенные области памяти установкой высокого уровня сигнала KEN# во время циклов доступа к этим областям памяти. Этот сигнал управляет только возможностью заполнения строк кэша из адресованной области памяти. Программно можно управлять кэшируемостью каждой страницы памяти – запрещать единичным значением бита
PCD (Page Cache Disable) в таблице или каталоге страниц. Для процессоров с
WB-кэшем бит PWT (Page Write Through) позволяет постранично управлять и алгоритмом записи. Общее программное управление кэшированием осуществляется посредством бит управляющего регистра CR0:CD (Cache Disable) и NW (No Write
Through). Возможны следующие сочетания бит регистра:

. CD=1, NW=1 – если после установки такого значения выполнить очистку кэша, кэш будет полностью отключен. Если же перед установкой этого сочетания бит кэша был заполнен, а очистка не производилась, кэш превращается в “замороженную” область статической памяти;

. CD=1, CW=0 – заполнение кэша запрещено, но сквозная запись разрешена. Эффект аналогичен временному переводу сигнала KEN# в высокое (пассивное) состояние. Этот режим может использоваться для временного отключения кэша, после которого возможно его включение без очистки;

. CD=0, NW=1 – запрещенная комбинация (вызывает отказ общей защиты);

. CD=0, NW=0 – нормальный режим работы со сквозной записью.

Для полного запрета кэша необходимо установить CD=1 и NW=1, после чего выполнить очистку (Flush). Без очистки кэш будет обслуживать запросы в случае попаданий.

Процессоры 486 и старше имеют выходные сигналы PCD и PWT, управляющие работой вторичного (внешнего) кэша (они же управляют и внутренним кэшем). В циклах обращения к памяти, когда страничные преобразования не используются
(например, при обращении к таблице каталогов страниц), источником сигналов являются биты PCD и PWT регистра CR3, при обращении к каталогу страниц – биты PCD и PWT из дескриптора соответствующего вхождения каталога, при обращении к самим данным – биты PCD и PWT из дескриптора страницы. Кроме того, оба этих сигнала могут принудительно устанавливаться общими битами управления кэшированием CD и NW регистра CRO.

Режим обратной записи может разрешаться только аппаратно сигналом
WB/WT#, вырабатываемым внешними схемами.

В пространстве памяти РС имеются области, для которых кэширование принципиально недопустимо (например, разделяемая память адаптеров) или непригодна политика обратной записи. Кроме того, кэширование иногда полезно отключать при выполнении однократно исполняемых участков программы
(например, инициализации) с тем, чтобы из кэша не вытиснялись более часто используемые фрагменты. Напомним, что запретить можно только заполнение строк, а обращение к памяти, уже представленной действительными строками кэша, все равно будет обслуживаться из кэша. Для полного запрета работы кэша строки должны быть аннулированы.

Программно при включенном режиме страничного преобразования кэшированием управляют биты атрибутов страниц (на уровне таблицы страниц и их каталога), биты PCD и PWT регистра CR3, и, наконец, глобально кэшированием управляют биты CD и NW регистра CR0.

Аппаратно (сигналом KEN#) внешние схемы могут управлять кэшированием
(разрешать заполнение строк) для каждого конкретного адреса обращения к физической памяти.

2.2. Процессор 80386

Микропроцессор 80386 имеет два режима работы: режим реальных адресов, называемый реальным режимом, и защищенный режим. При подаче сигнала сброса или при включении питания устанавливается реальный режим, причем 80386 работает как очень быстрый 8086, но, по желанию программиста, с 32- разрядным расширением. В реальном режиме МП 80386 имеет такую же базовую архитектуру, что и МП 8086, но обеспечивает доступ к 32-разрядным регистрам. Механизм адресации, размеры памяти и обработка прерываний МП
8086 полностью совпадают с аналогичными функциями МП 80386 в реальном режиме. Единственным способом выхода из реального режима является явное переключение в защищенный режим. В защищенный режим микропроцессор
80386 входит при установке бита включения защиты (РЕ) в нулевом регистре управления (CR) с помощью команды пересылки (MOV to CR). Для совместимости с МП 80286 с целью установки бита РЕ может быть также использована команда загрузки слова состояния машины LMSW. Процессор повторно входит в реальный режим в том случае, если программа командой пересылки сбрасывает бит РЕ регистра CR.

Полные возможности МП 80386 раскрываются в защищенном режиме.
Программы могут исполнять переключение между процессами с целью входа в задачи, предназначенные для режима виртуального МП 8086. Каждая такая задача проявляет себя в семантике МП 8086 (т.е. в отношениях между символами и приписываемыми им значениями независимо от интерпретирующего их оборудования). Это позволяет выполнять на МП 80386 программное обеспечение для микропроцессора 8086 - прикладную программу или целую операционную систему. В то же время задачи для виртуального МП 8086 изолированы и защищены как друг от друга, так и от главной операционной системы МП 80386.

2.3. Процессор 80486

В 1989 г. фирма Intel выпустила микропроцессор Intel-80486. Все процессоры семейства 486 имеют 32-разрядную архитектуру, внутреннюю кэш- память 8 КВ со сквозной записью (у DX4 -16 КВ). Модели SX не имеют встроенного сопроцессора. Модели DX2 реализуют механизм внутреннего удвоения частоты (например, процессор 486DX2-66 устанавливается на 33- мегагерцовую системную плату), что позволяет поднять быстродействие практически в два раза, так как эффективность кэширования внутренней кэш- памяти составляет почти 90 процентов. Процессоры семейства DX4 - 486DX4-
75 и 486DX4-100 предназначены для установки на 25-ти и 33-мегагерцовые платы. По производительности они занимают нишу между DX2-66 и Pentium-
60/66, причем быстродействие компьютеров на 486DX4-100 вплотную приближается к показателям Pentium 60. Напряжение питания составляет 3,3 вольта, то есть их нельзя устанавливать на обычные системные платы.
Процессор 486DX4-75 предназначен, прежде всего, для использования к компьютерам типа Notebook, а 486DX4-100 - в настольных системах.

2.4. Процессор Pentium

В 1993 г. Intel анонсировала о новом детище – процессоре Pentium.
Процессор Pentium является одним из самых мощных в настоящее время. Он относится к процессорам с полным набором команд, хотя его ядро имеет риск- архитектуру. Это 64-разрядный суперскалярный процессор (то есть выполняет более одной команды за цикл), имеет 16 КВ внутренней кэш-памяти
- по 8 КВ отдельно для данных и команд, встроенный сопроцессор.
Несколько слов о процессорах семейства OverDrive. В основном это процессоры с внутренним удвоением частоты, предназначенные для замены процессоров SX.
Что касается широко разрекламированного в свое время процессора
OverDrive на основе Pentium (так называемый P24T или Pentium SX), то сроки его выпуска неоднократно срывались. Сейчас начало выпуска перенесено на последнюю четверть текущего года. Хотя на рынке представлено очень много системных плат, предназначенных для установки кроме 486 процессоров и процессора Р24Т, использовать его на этих платах, скорее всего, будет нельзя, так как никакого тестирования плат с этим процессором изготовители не проводят ввиду его отсутствия, а ориентируются при изготовлении только на опубликованную фирмой Intel спецификацию. Представители фирмы
Intel заявили недавно, что существуют серьезные сомнения в работоспособности большинства этих плат в связи с недостаточной проработкой вопросов, связанных с перегревом процессоров. Поскольку при работе с существующим программным обеспечением процессоры Pentium не достигают максимального быстродействия, фирма Intel для оценки производительности своих процессоров предложила специальный индекс - iCOMP
(Intel COmparative Microprocessor Performance), который, по ее мнению, более точно отражает возрастание производительности при переходе к новому поколению процессоров (некоторые из выпущенных уже моделей компьютеров на основе Pentium при выполнении определенных программ демонстрируют даже меньшее быстродействие, чем компьютеры на основе 486DX2-66, это связано как с недостатками конкретных системных плат, так и с не оптимизированностью программных кодов).

|Модель |Индекс iCOMP |
|486SX2-50 |180 |
|486DX2-50 |231 |
|486DX2-66 |297 |
|486DX4-75 |319 |
|486DX4-100 |435 |
|Pentium 60 |510 |
|Pentium 66 |567 |
|Pentium 90 |735 |
|Pentium 100 |815 |

Более того, именно величина производительности с использованием индекса iCOMP используется фирмой Intel в новой системе маркировки процессоров
Pentium. например, 73590 и 815100 для тактовой частоты 90 и 100 МГц.
Кроме фирмы Intel, на рынке широко представлены другие фирмы, выпускающие клоны семейств 486 и Pentium. Фирма AMD (Advanced Micro
Devices) производит 486DX-40, 486DX2-50, 486DX2-66. Процессоры 486DX2-80 и
486DX4-120 обеспечивают полную совместимость со всеми ориентированными на платформу Intel программными продуктами и такую же производительность, как и аналогичные изделия фирмы Intel (при одинаковой тактовой частоте).
Кроме того, они предлагаются по более низким ценам, а процессор на 40 МГц, отсутствующий в производственной программе Intel, конкурирует с 486DX-33, превосходя его по производительности на 20 процентов при меньшей стоимости.
Фирма Cyrix разработала процессоры М6 и М7 (аналоги 486SX2 и 486 0DX 2) на тактовые частоты 33 м 40 МГц, а также с удвоением частоты DX2-50 и DX2-
66. Они имеют более быстродействующую внутреннюю кэш-память 8 КВ с обратной записью и более быстрый встроенный сопроцессор. По некоторым операциям производительность выше, чем у процессоров фирмы Intel, по некоторым - несколько ниже. Соответственно, существенно различаются и результаты на разных тестирующих программах. Цены на 486 процессоры Cyrix значительно ниже, чем на Intel и AMD. По оценкам Intel, эффективность Pentium при работе с таким программным обеспечением составляет около 70 процентов,
Cyrix же обещает 90, так как архитектура М1 более "рисковая": он имеет 32 регистра вместо 8 и систему их динамической переадресации для обеспечения совместимости. В то же время М1 по операциям с плавающей точкой уступает процессору фирмы Intel. Собственные варианты процессоров семейства
486 - 486SX-33,486SX-40, 486SX-80, 486DX-40 предлагает фирма UMC. Они полностью совместимы с процессорами Intel. Из-за патентных ограничений они не поставляются в США. Первый клон процессора Pentium - изделие под названием 586 - выпустила фирма NexGen. Этот 64-разрядный процессор рассчитан на работу на тактовых частотах 60 и 66 МГц, построен на основе запатентованной суперскалярной архитектуры RISC86 и полностью совместим с семейством 80х86. Напряжение питания - 3,3 вольта. Стоимость его существенно ниже, чем у Pentium. Для самых простых систем фирмой Texas
Instruments выпускала дешевые, но эффективные процессоры 486DLC, которые, занимая промежуточное положение между 80386 и 80486 семейством (они выполнены в конструктиве 386 процессора, обеспечивают производительность на уровне 80486 процессора при цене 80386. Новая версия - 486SXL с увеличенной до 8 КВ внутренней кэш-памятью еще ближе приближается к характеристикам 486 семейства. Все большую популярность завоевывали риск- процессоры семейства Power PC 601 (IBM, Apple, Motorola) , которые имеют отличную от Intel архитектуру (в основе - архитектура Power фирмы IBM с внутренней кэш-памятью 32 КВ). Полагают, что именно конкуренция между Power PC и Pentium является самым существенным фактором для развития рынка процессоров и персональных компьютеров. Power
PC 601 примерно в два раза дешевле, чем Pentium, потребляет в два раза меньшую мощность и превосходит Pentium по производительности, особенно по операциям с плавающей точкой. Сначала на процессоре 601 была реализована только система 6000 фирмы IBM и PowerMac фирмы Apple. В настоящее время большинство производителей компьютеров имеют свои варианты систем на базе
Power PC, однако, решение об их производстве будет определяться, прежде всего, складывающейся конъюнктурой.

Объем и сложность данных, обрабатываемых современными компьютерами, стремительно увеличивается. Новые средства связи, видео - и аудиоприложения выдвигают повышенные требования к производительности микропроцессора. ММХ - технология разработана для ускорения мультимедиа и коммуникационных программ. Она включает в себя новые команды и типы данных, что позволяет создавать приложения нового уровня. Технология основана на параллельной обработке данных. При этом сохраняется полная совместимость с существующими операционными системами и программным обеспечением. ММХ – технология – это самое значительное усовершенствование со времени создания процессора Intel-
80386, т.е. создания 32 – разрядной архитектуры.

В процессоры семейства Р5 (Pentium и Pentium MMX) были добавлены следующие команды:

. CMPXCHG8B (compare and exchange 8 bytes)

. CPUID (CPU identification)

. RDTSC (read time-stamp counter)

. RDMSR ( read model-specific register)

. WRMSR (write model-specific register)

. RSM (resume from SSM)

Форма команды MOV, которая обращалась к регистрам тестирования, удалена из процессоров Р5 и всех последующих. Функция регистров тестирования теперь выполняют регистры MSR (Model Specific Register). Задействован новый регистр управления CR4. В регистр EFLAGS добавлены следующие флажки:
. VIF (virtual interrupt flag)
. VIP (virtual interrupt pending)
. ID (identification flag)

Рисунок 1. Формат регистра EFLAGS в процессорах Р5

Табл1. Процессоры 70-х годов
| |4004 |8008 |8080 |8086 |8088 |
|Объявлено о|15/11/71 |1/4/72 |1/4/74 |8/6/78 |1/6/79 |
|выпуске | | | | | |
|Тактовая |108 КГц |108 КГц |2 МГц |5 МГц, 8 МГц, 10|5 МГц, 8 |
|частота | | | |МГц |МГц |
|Разрядность|4 бит |8 бит |8 бит |16 бит |8 бит |
|шины | | | | | |
|Количество |2 300 |3 500 |6 000 |29 000 |29 000 |
|транзисторо|(10 микрон) | |(6 микрон) |(3 микрона) |(3 |
|в | | | | |микрона) |
|Адресуемая |640 байт |16 Кбайт |64 Кбайт |1 Мб |1 Мб |
|память | | | | | |
|Виртуальная|-- |-- |-- |-- |-- |
|память | | | | | |
|Краткая |Первая |Обработка|10-кратный |10-кратный рост |Аналог |
|характерист|микросхема, |цифровых |рост |производительнос|процессора|
|ика |выполняющая |и |производител|ти по сравнению |8086, но с|
| |арифметически|текстовых|ьности по |с процессором |8-разрядно|
| |е вычисления |данных |сравнению с |8080 |й внешней |
| | | |процессором | |шиной |
| | | |8008 | | |

Список литературы

1. Гук. М. Процессоры intel от 8086 до Pentium; С-Питербург -“Питер

Паблишинг” – 1997.
2. Е.М. Бердышев; Технология MMX; Москва – «Диалог – МИФИ» - 1998.
3. В.Э. Фигурнов IBM PC для пользователя; 5 издание; Москва - «Финансы и
4. Еженедельник Computer World Россия;N 46(111); 9 декабря 1997
5. Еженедельник Computer World Россия; N 47(112); 16 декабря 1997
6. статистика» – 1994.
7. Обзор процессоров и шин ПВМ; Москва – 1995.
8. Еженедельник Компьютерра; N 23 (251); 16 июня 1998

* Масштабирование индекса возможно только в 32-битном режиме адресации

-----------------------
0000 СМЕЩЕНИЕ

СЕГМЕНТ 0000

Канал 1

Канал 4

Диспетчер

Теги действительности

. . .

Теги

Строки

127

16 байт

21 бит

Теги

Строки

127

16 байт

21 бит

127

4 бита

3 бита

4 Ru

Продолжение Табл.2.

Стр.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7