Эволюция архитектуры однокристальных микропроцессоров Intel x86

1) Особенности процессоров 8086/8088. Процессор i8086 имеет совмещенную (мультиплексированную) 20-разрядную внешнюю шину адреса/данных. Данные передаются по 16 разрядам, адрес - по 20 разрядам. Шина управления имеет 16 разрядов (в частности, в нее входят строб адреса и стробы обмена с памятью и устройствами ввода/вывода). Среднее время выполнения команды занимает 12 тактов синхронизации, один цикл обмена по внешней шине требует 4 тактов (без учета тактов ожидания, вводимых при асинхронном обмене). У процессора i8088 внешняя шина данных 8-разрядная.

Процессоры i8086/8088 – имеют сегментированную память. То есть вся память представляется не в виде непрерывного пространства, а в виде нескольких кусков - сегментов заданного размера (по 64 Кбайта), положение которых в пространстве памяти можно программно изменять. Процессор 8086/8088 имеет 14 регистров разрядностью по 16 бит. Для ускорения выборки команд из памяти в процессоре 8086 предусмотрен внутренний 6-байтный конвейер (в процессоре 8088 - 4-байтный). Система команд процессора включает в себя 133 команды, поддерживающие 24 метода адресации операндов. Такое большое число команд может рассматриваться как достоинство (можно гибко выбирать команду, оптимально подходящую для каждого конкретного случая), но оно же заметно усложняет структуру процессора. Каждая команда содержит 1, 2 или 4 байта кода команды, за которыми могут следовать 1, 2 или 4 байта операнда.

Процессор может обрабатывать 256 типов прерываний: внешних (аппаратных), программных и внутренних. Векторы прерываний представляют собой двойное слово (два слова по 16 разрядов), определяющее сегмент и смещение начального адреса программы обработки прерываний. Внутренние прерывания вырабатываются при особых ситуациях.

Важная отличительная особенность процессора - разделение операций обмена с устройствами ввода/вывода и с памятью. Процессор работает от одного источника питания напряжением +5В и требует внешнего тактирующего сигнала с частотой, определяемой номером модели (от 4,77 МГц до 10 МГц). Специальный управляющий сигнал MN/MX определяет минимальный или максимальный режим работы процессора.

2) Особенности процессора 80286. Отличие от процессора 8086/8088 - в механизме управления адресацией памяти, который обеспечивает четырехуровневую систему защиты и поддержку виртуальной памяти. (Виртуальная память - это внешняя память большого объема, с которой процессор может взаимодействовать как со своей системной памятью, но с некоторыми ограничениями). Специальные средства предусмотрены также для поддержки механизма переключения задач (Task switching). В процессоре 80286 также расширена система команд за счет добавления команд управления защитой и нескольких новых команд общего назначения.

Процессор 80286 может работать в двух режимах:

- реальный режим (8086 Real Address Mode - режим реальной адресации), полностью совместимый с процессором 8086/8088. В этом режиме возможна адресация только в пределах 1 Мбайта физической памяти. Он используется для обеспечения программной преемственности с процессором 8086/8088;

- защищенный режим (Protected Virtual Address Mode - защищенный режим виртуальной адресации). В этом режиме возможна адресация в пределах 16 Мбайт физической памяти.

Процессор 80286 имеет 16-разрядную внешнюю шину данных и 6-байтный конвейер команд. Для ускорения выполнения математических операций предусмотрено подключение к процессору 80286 микросхемы математического сопроцессора 80287.

Так же, как и в 8086, применяется сегментация памяти, но управление сегментацией в реальном и защищенном режимах различно. Процессор 80286 может обрабатывать до 256 типов прерываний. Прерывания подразделяются на аппаратные (маскируемые или немаскируемые), вызываемые сигналами на входах процессора, программные, вызываемые командой INT, и исключения инструкций.

Система команд процессора 80286 включает, помимо полного набора 8086, ряд дополнительных команд, например: сохранение константы в стеке, сохранение в стеке и восстановление из стека всех регистров одной командой; целочисленное умножение на константу; сдвиги (включая циклические) на заданное в константе количество шагов; вход и выход из процедур; команды управления защитой.

3) Особенности процессора 80386.В 32-разрядном процессоре i80386 нет ограничения на длину непрерывного сегмента памяти в 64 Кбайт. В защищенном режиме 80386 длина сегмента может достигать 4 Гбайт, то есть всего объема физически адресуемой памяти. Таким образом, память фактически стала непрерывной. Кроме того, 80386 обеспечивает поддержку виртуальной памяти объемом до 64 Тбайт (1 Тбайт = 1024 Гбайт). Встроенный блок управления памятью поддерживает механизмы сегментации и страничной трансляции адресов (Paging). Обеспечивается четырехуровневая система защиты памяти и ввода/вывода, а также переключение задач.

Процессор 80386, как и 80286, может работать в двух режимах: реальный режим, который полностью совместим с 8086, защищенный режим. В этом режиме возможна адресация до 4 Гбайт физической памяти (32 разряда), через которые при использовании механизма страничной адресации может отображаться до 16 Тбайт виртуальной памяти каждой задачи. Процессор может оперировать с 8, 16, 32-битными операндами, строками байт, слов и двойных слов, а также с битами, битовыми полями и строками бит.

В архитектуру процессора введены средства отладки и тестирования.

Разрядность регистров данных (АХ, ВХ, СХ, DX) и адресов (SI, D1, ВР, SP) увеличена до 32. При этом в их обозначении появилась приставка Е (Extended - расширенный), например, ЕАХ, ESI. Расширен до 32 разрядов регистр-указатель (счетчик) команд EIP. 32-разрядным стал регистр флагов EFLAGS. Такой же формат используется и в процессорах 80486 и Pentium. Регистры сегментов процессора содержат 16-битные указатели (в реальном режиме) или селекторы (в защищенном режиме) шести сегментов. С каждым из шести сегментных регистров связаны программно недоступные регистры дескрипторов, как и в случае 80286. В защищенном режиме в регистры дескрипторов загружается 32-битный базовый адрес сегмента, 32-битный лимит и атрибуты сегментов.

Процессор позволяет выделять в памяти сегменты и страницы. Сегменты в реальном режиме имеют фиксированный размер, в защищенном - переменный. Процессор 80386 обрабатывает все виды прерывания: аппаратные (маскируемые и немаскируемые) и программные, которые в данном случае обрабатываются как разновидность исключений, и собственно исключения. Исключения подразделяются на отказы, ловушки и аварийные завершения.

Каждому номеру прерывания (0...255) или исключения соответствует элемент в таблице дескрипторов прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table). В защищенном режиме IDT может иметь размер от 32 до 256 дескрипторов, каждый из которых состоит из 8 байт.

Защищенный режим был предложен для обеспечения независимости одновременного выполнения нескольких задач (как системных, так и прикладных). Для этого предусмотрена защита ресурсов каждой задачи от действий других задач. Под ресурсами здесь понимается память с данными, программами, системными таблицами, а также используемая задачей аппаратура. Защита основывается на сегментации памяти, причем, в отличие от реального режима, задача не может переопределять положения своих сегментов в памяти и использует только сегменты, определенные для нее операционной системой.

Сегмент определяется дескриптором сегмента, который задает положение сегмента в памяти, его размер (или лимит), назначение и характеристики защиты.

В защищенном режиме предусматривается иерархическая четырехуровневая (уровни 0, 1,2, 3) система привилегий, предназначенная для управления выполнением привилегированных команд и доступом к дескрипторам. Механизм виртуальной памяти, используемый в защищенном режиме, позволяет любой задаче использовать логическое пространство размером до 64 Тбайт (16К сегментов по 4 Гбайта).

Начиная с процессора 80386, появляются средства обслуживания многозадачного режима. Естественно, процессор не может обрабатывать несколько задач одновременно, выполняя по несколько команд сразу. Он только периодически переключается между задачами. Но с точки зрения пользователя получается, что компьютер параллельно работает с несколькими задачами.

4) 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. Ряд преимуществ: в процессор введена внутренняя кэш-память 1-го уровня (Internal cache Level 1) размером 8 Кбайт и предусмотрены средства для двухуровневого кэширования; 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.

Кэш-память (или просто кэш, от англ. Cache - склад, тайник) предназначена для промежуточного хранения информации из системной памяти с целью ускорения доступа к ней. Ускорение достигается за счет использования более быстрой памяти и более быстрого доступа к ней. При этом в кэш-памяти хранится постоянно обновляемая копия некоторой области основной памяти.

Необходимость введения кэша связана с тем, что системная память персонального компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти, которая характеризуется меньшей стоимостью, но и более низким быстродействием, по сравнению со статической памятью. В принципе кэш-память может быть как внутренней (входить в состав процессора), типовой размер 32 Кбайт так и внешней – до нескольких мегабайт. Внутренний кэш называется кэшем первого уровня, внешний - кэшем второго уровня.

Режим пакетной передачи(Burst Mode), впервые появившийся в процессоре 486, предназначен для быстрых операций со строками кэша. Пакетный цикл обмена (Burst Cycle) отличается тем, что для пересылки всего пакета адрес по внешней шине адреса передается только один раз - в начале пакета, а затем в каждом следующем такте передаются только данные. Режим внутреннего умножения тактовой частоты процессора повышает быстродействие процессора.

5) Особенности процессоров Pentium.Процессоры Pentium относятся к пятому поколению процессоров или к третьему поколению 32-разрядных процессоров нового поколения с существенными отличиями:

­ 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;

­ 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.

Средства для слежения за производительностью (мониторинга производительности) включают в себя таймер реального времени и счетчики событий. Таймер представляет собой 64-разрядный счетчик, инкрементируемый с каждым тактом процессора. Два счетчика событий имеют разрядность по 40 бит и программируются на подсчет событий различных классов, связанных с шинными операциями, исполнением команд, связанных с работой кэша, контролем точек останова и т.д. Сравнивая состояния таймера и счетчиков событий, можно сделать вывод о производительности процессора.

Средства для построения двухпроцессорных систем позволяют на одной локальной шине устанавливать два процессора с объединением почти всех одноименных выводов. Это дает возможность использовать симметричную мультипроцессорную обработку (SMP - Symmetric Multi-Processing) или строить функционально избыточные системы (FRC - Functional Redundancy Checking).

В конфигурации FRC два процессора выступают как один логический процессор. Основной процессор (Master) работает в обычном однопроцессорном режиме. Проверочный процессор (Checker) выполняет все те же операции внутри себя, не управляя внешней шиной, и сравнивает сигналы основного процессора с теми, которые генерирует сам. В случае несовпадения формируется сигнал ошибки, обрабатываемый как прерывание. То есть в данном случае увеличивается надежность системы в целом (в идеале - вдвое).

Развитием Pentium стало добавление технологии ММХ, рассчитанной на мультимедийное, графическое и коммуникационное применение. Основная идея ММХ заключается в одновременной обработке нескольких элементов данных за одну команду (SIM D, Single Instruction - Mutiple Data). Команды ММХ доступны из любого режима процессора. Кроме того, в процессорах Pentium ММХ увеличен объем кэша данных и программ (до 16 Кбайт каждый), увеличено число ступеней конвейеров и введено еще несколько усовершенствований, повышающих производительность обычных (не мультимедийных) операций.

6) Особенности процессора Pentium Pro. Это шестое поколение процессоров, имеющего следующие усовершенствования:

­ динамическое исполнение команд предполагает, что команды, независящие от результатов предыдущих операций, могут выполняться в измененном порядке (последующие раньше предыдущих), однако последовательность обмена с внешними устройствами (памятью и устройствами ввода/вывода) будет соответствовать программе. То есть процессор сам выбирает удобный ему порядок выполнения команд. Это позволяет повысить производительность процессора без увеличения тактовой частоты;

­ архитектура двойной независимой шины повышает суммарную пропускную способность. Одна шина (системная) служит для обмена с основной памятью и устройствами ввода/вывода, а другая (локальная) предназначена только для обмена с вторичным кэшем;

­ в процессор введен кэш второго уровня объемом 256-512 Кбайт;

­ возможно построение многопроцессорных систем (до четырех микропроцессоров).

7) Особенности процессора Pentium II сочетает в себе архитектуру Pentium Pro с технологией MMX. Размер первичных кэшей данных и команд составляет 16 Кбайт, вторичного кэша - до 512 Кбайт. Кэш второго уровня несколько медленнее, чем кэш первого уровня, зато он имеет больший объем. Такая двухуровневая организация позволяет достигать компромисса между быстродействием кэш-памяти и ее объемом. Шина адреса имеет 36 разрядов (то есть максимально допустимый объем памяти - 64 Гбайта).

Процессоры Pentium III и Pentium 4 отличаются значительно возросшей предельной тактовой частотой (до 3 ГГц у Pentium 4, а в перспективе и до 5 ГГц), увеличенным объемом кэша (от 512 Кбайт до нескольких мегабайт) и дальнейшим совершенствованием архитектуры Pentium. Размер внутреннего конвейера у Pentium 4 доведен до 20 ступеней.

Уже появились и полностью 64-разрядные процессоры. Правда, полное использование возможностей 64-разрядной архитектуры потребует существенного изменения программного обеспечения. Надо отметить, что в составе персональных компьютеров практически никогда не используются все возможности процессоров семейства Pentium.

Для портативных компьютеров были предложены упрощенные версии процессоров Pentium III и Pentium 4, продаваемые под маркой Celeron. Они отличаются уменьшенной тактовой частотой и сокращенным объемом кэша второго уровня. Их тактовая частота сейчас доходит до 2 ГГц. Надо учитывать, что рассеиваемая мощность процессора Celeron остается практически такой же, как у процессоров Pentium III и Pentium 4.