3501

разрядность адресов и данных; состав, имена и назначение программно доступных регистров; форматы и систему команд; режимы адресации памяти;

способы машинного представления данных разного типа; структура адресного пространства;

способы адресации периферийных устройств и средства выполнения операций ввода/вывода;

классы прерываний, особенности инициирования и обработки прерывания.

Различают универсальные и специализированные микропроцессоры:

универсальные по своей структуре архитектуре ориентированы на выполнение достаточно большого числа классов различных задач необязательно в реальном масштабе времени. Сюда относится, например, семейство микропроцессоров Intel 80х86.

специализированные микропроцессоры по своей структуре архитектуре предназначены для решения одного или нескольких классов специальных, близких между собой задач. Сюда относятся, например микропроцессоры семейства TMS 320 предназначенные для цифровой обработки сигналов, алгоритмы которой содержат большое количество операций умножения и деления.

13.2. Производство микропроцессоров

Поколения микропроцессоров и их основные характеристики

История персональных компьютеров (ПК) начинается с 1971г., когда американская фирма Intel разработала 4-разрядный микропроцессор (МП) 4004 для калькулятора. Он содержал около тысячи транзисторов и мог выполнять 8000 операций в секунду. Вскоре для терминала была выпущена 8-битная версия данного МП, получившая название 8008. Оба МП всерьез восприняты не были, поскольку рассчитывались для конкретных применений. Они относятся к МП первого поколения.

В конце 1973 г. фирма Intel разработала однокристальный 8-разрядный МП 8080, рассчитанный для многоцелевых применений. Он был сразу замечен компьютерной промышленностью и быстро стал "стандартным". По стоимости он был доступен даже для любителей. Одни фирмы начали выпускать МП 8080 по лицензиям, другие - предложили его улучшенные варианты. Так, группа инженеров фирмы Intel, образовав собственную фирму Zilog, в 1976 г. выпустила МП Z80, сохраняющий базовую архитектуру 8080. Фирма Motorola разработала собственный 8-разрядный МП М6800, нашедший впоследствии широкое применение и развитие.

430

Сама фирма Intel усовершенствовала свой МП, выпустив его модификацию 8085, отличающуюся повышенным быстродействием, встроенными генератором и системным контроллером, дополнительным последовательным вводом-выводом и улучшенной системой прерываний.

Для программируемых контроллеров, решающих несложные задачи, стали разрабатываться однокристальные микроЭВМ, объединяющие в одном корпусе МП подсистему ввода-вывода и память (8048 фирмы Intel, TMS1000 фирмы Texas Instruments и др.). Описанные 8-разрядные МП относятся ко второму поколению микропроцессоров.

ЭВМ на основе 8-разрядных МП получили широкое распространение и работали под управлением операционной системы (ОС) CP/M (Control Programm/Microcomputers). В 1978 г. фирма Intel начинает выпуск 16-

разрядного МП 8086. Вскоре фирмы Motorola и Zilog отвечают созданием 16-разрядных МП M68000 и Z8000. Перечисленные МП относятся к микропроцессорам третьего поколения.

Однако рынок уже был наполнен 8-разрядными компонентами и периферийными устройствами. С целью преемственности в 1979 г. фирмой Intel выпускается компромиссный вариант - микропроцессор 8088. Повторяя внутри МП 8086, новый МП имел 8-разрядную внешнюю шину данных, что, хотя несколько и снижало производительность, позволяло легко использовать его с имевшейся в достатке 8-битной периферией.

Осенью 1981 г. фирма IBM объявила о создании серии ЭВМ IBM PC, основой которой был МП 8088. Разработка имела колоссальный успех, объясняемый отчасти использованием новой операционной системы MSDOS. К началу 1988 г. в мире было выпущено более 60 млн. персональных ЭВМ, в том числе 25 млн. IBM PC-совместимых. Из них более 15 млн. было произведено самой фирмой IBM.

Спрос на ПК намного превысил предложение, особенно после появления компактных компьютеров класса Laptop ("наколенный"). Так, фирма Compaq Computer в конце 1982 г. выпустила компьютер Compaq Portable весом 12 кг, программно совместимый с IBM PC.

Весной 1983 г. фирма IBM выпускает модель PC XT с жестким диском. Осенью этого же года фирма Compaq отвечает появлением совместимого ПК Compaq Plus. Кроме того, фирма Intel начинает выпуск усовершенствованных модификаций прежнего МП - микропроцессоров 80186 и 80188, а также объявляет о создании нового поколения микропроцессоров - 80286.

В 1984 г. фирма IВМ выпускает упрощенную, "домашнюю", версию ПК под названием PCjr или Junior. Вопреки ожиданиям, модель оказалась неудачной, и в 1985 г. ее выпуск был прекращен. Во многом это было обусловлено успехом нового компьютера IBM PC AT (Advanced Technologies), построенного на основе МП 80286. Компьютеры этой серии

431

быстро завоевали весь мир и несколько лет оставались наиболее популярными.

Вапреле 1987 г. фирма IBM объявляет о создании нового семейства компьютеров PS/2 (Personal Systems), а в конце года для него появляется многозадачная операционная система OS/2. На разработки возлагались очень большие надежды, оправдавшиеся не в полной мере, поскольку лишь немногие производители совместимого оборудования поддержали новые стандарты, оставив фирму IBM практически в одиночестве.

Первые 32-разрядные микропроцессоры появились на мировом рынке в 1983-1984 гг., но их широкое использование в высокопроизводительных ПК началось с 1985 г. после выпуска фирмами Intel и Motorola микропроцессоров 80386 и М68020 соответственно. Эти БИС открыли новое микропроцессорное поколение, реализующее обработку данных на уровне "больших" ЭВМ.

В1989 г. был начат выпуск более мощного МП 80486 с быстродействием более 50 млн. операций в секунду. Необходимо заметить, что фирма Intel называет свои процессоры - iAPX186, iAPX286, iAPX386, iAPX486, хотя вне ее их называют 80186, 80286, 80386, 80486. В марте 1993 г. фирма Intel

продолжает ряд 80х86 выпуском микропроцессора Р5 "Pentium" с 64разрядной архитектурой. Возможность использования имеющихся программ обеспечила новым разработкам большой коммерческий успех.

Внастоящее время продаются процессоры серии Pentium-III с частотами более 700 Мгц.

Помимо традиционных компьютеров с полным набором команд (Complex Instruction Set Computer - CISC) развивается относительно новое направление компьютеров с сокращенным набором команд (Reduced

Instruction Set Computer - RISC). Так, фирма Intel в 1989 г. выпустила 64-

разрядный RISC-микропроцессор 80860.

В1990 г. фирма IBM создала RISC-процессор POWER PC (Performance Optimization With Enhanced RISC). Обладая примерно равной производительностью с процессором Pentium, он потребляет меньшую мощность и в несколько раз дешевле. ПК RS/6000 стал первым компьютером с микропроцессором POWER PC. В сентябре 1993 г. был изготовлен процессор POWER 2. Новые МП активно поддержала фирма Apple, выпустив ряд компьютеров POWER Macintosh (до этого ПК серии Macintosh использовали МП 680х0 фирмы Motorola).

Серьезным конкурентом разработчикам мощных ПК стала фирма SUN Microsystems. Ее компьютеры с открытой архитектурой SPARC (Scalable Processor Architecture), используя RISC-процессоры серий MicroSPARC и SuperSPARC, показывают очень высокую производительность при малых аппаратных затратах. Эти компьютеры, оснащенные высококачественной графической видеосистемой, используются для САПР, систем мультимедиа,

432

а также в качестве мощных файл-серверов в разнородных вычислительных сетях.

Снижение цены высокопроизводительных МП привело к тому, что за рубежом практически прекращен выпуск ПК с процессором, ниже PentiumII.

Технологические достижения при производстве процессоров.

В последние несколько лет исследовательские лаборатории IBM, ведущие разработки полупроводниковых технологий, сделали целый ряд крупных достижений, ставших прямым результатом

ежегодных крупных инвестиций в НИОКР. Помимо собственно технологических достижений, IBM значительно ускорила процесс

433

разработки продукции. Это позволило выпустить в кратчайшие сроки такие революционные системы, как IBM @server pSeries 690 и zSeries 900.

Разработка новых технологий позволяет IBM оставаться ключевым игроком на динамичном компьютерном рынке.

1. Технология медной металлизации

В 1997 году IBM объявила о том, что ей удалось решить многолетнюю проблему рентабельного производства интегральных микросхем с медной металлизацией (электропроводность меди значительно выше, чем у алюминия), что позволило еще существеннее сократить размеры и увеличить

лидером в разработке полупроводниковых микросхем нового поколения. Спустя два года после начала промышленного производства микросхем с

медной металлизацией IBM отгрузила уже более 2 млн. таких чипов. Сегодня только Motorola и еще несколько конкурирующих с IBM компаний объявили о готовности к серийному производству микросхем с медной металлизацией.

В 2002 году технология медной металлизации IBM позволила Webсерверу IBM RS/6000 S80 на платформе UNIX обойти по продажам своего самого сильного конкурента — 64-процессорный сервер Е10000, являющийся флагманом серверной линейки компании Sun.

2. Технология SOI («кремний-на- изоляторе»)

Еще один технологический прорыв IBM —

технология SOI («кремний-на-изоляторе»), разработанная в 1998 году. Как и в случае с медными проводниками, IBM в течение нескольких десятилетий работала над изобретением способа усовершенствования кремниевой технологии с целью повышения производительности компьютеров. Технология SOI позволяет изолировать транзисторы, помещая

их на кремниевую пленку, нанесенную поверх утопленного слоя оксида кремния по всей поверхности кремниевой пластины. С помощью технологии SOI транзисторы можно размещать вертикально. Несмотря на то, что принципы технологии были разработаны IBM и другими компаниями значительно раньше, именно IBM стала первой, кому удалось применить ее на практике — для серийного выпуска микропроцессоров в промышленных масштабах. Технология SOI позволяет производить компактные компьютерные чипы, потребляющие минимум электроэнергии, что

434

является одним из основных требований в производстве карманных компьютеров, портативной электроники и сложных интегрированных процессоров. IBM устанавливает процессоры с технологией медной металлизации и SOI на серверы семейств iSeries и pSeries.

3. Технология Low-k dielectric

Заставьте чип работать...

В апреле 2000 года IBM объявила о разработке фирменной технологии производства микросхем — Low-k dielectric. Суть изобретения в том, что особый, похожий на пластик материал используется для снижения уровня наводок (интерференции) между проводниками в составе кристалла, которые пагубно сказываются на производительности и энергопотреблении.

Сочетание медных проводников и технологии Low-k dielectric способно повысить производительность более чем на 30%, что особенно важно для высокопроизводительных Internet-серверов, сотовых телефонов и современного коммуникационного оборудования. Для того чтобы стимулировать разработку устройств на основе нового производственного процесса, IBM выпустила специализированный чип CU-11 (http://www.chips.ibm.com/products/asics/), толщина путей у которого в 900

раз тоньше человеческого волоса, а тактовая частота составляет 1,8 ГГц. Девиз полупроводниковой индустрии можно сформулировать как «быстрее, меньше, дешевле», а микросхема CU-11 является его великолепным подтверждением. Технология Low-k dielectric будет применяться в микросхемах P0WER4 следующего поколения.

4. SiGe: кремниево-германиевые микросхемы

Достижение высоких тактовых частот...

Через год после запуска технологии медной металлизации, IBM объявила о разработке кремний-германия (Silicon Germanium — SiGe)

— нового материала для производства микросхем, позволяющего значительно увеличить производительность и снизить энергопотребление.

От использования нового материала особенно выиграют персональные коммуникационные устройства (к примеру,

коммуникаторы, сотовые телефоны и пейджеры), ведь SiGe позволяет существенно уменьшить размер электронной начинки аппарата, повысить ее надежность и расширить функциональные возможности. В 1998 году IBM стала первой в мире компанией, запустившей серийное производство

435

кремниево-германиевых чипов,

(http://www.chips.ibm.com/bluelogic/showcase/sig

e/)

5. Напряженный кремний

Снижение сопротивления электронов...

В июне 2001 года IBM объявила о новой

поверх другого материала, атомы которого разнесены шире, атомы кремния выстраиваются в линию, вытягивая кремний (разряжая его структуру). Электроны встречают меньше сопротивления на своем пути и движутся на 70% быстрее, что позволяет увеличить производительность микросхем на 35%, даже без уменьшения размера транзисторов. Технология напряженного кремния применяется в промышленном производстве с 2003 года.

Производственные линии МП.

Микропроцессоры RISC - архитектуры.

Микропроцессоры Alpha.

Проект Alpha фирмы Digital Equipment был ориентирован на передовую технологию ( 0,8 - микронная технология ) , перспективную архитектуру и обработку 64 - разрядных приложений в среде Unix. Несколько позднее платформа Alpha AXP была дополнена средствами поддержки операционной системы Microsoft Windows NT.

Первым процессором семейства Alpha AXP стал микропроцессор 21064, выполненный по 0,75 - микронной технологии, содержащим 1,68 млн. транзисторов. Тактовая частота ( до 200 Мгц ) и суперскалярная обработка позволии этому процессору обойти всех конкурентов по производительности.

В1994 г Digital Equipment выпустила модификацию процессора 21064 - модель Alpha 2164А с тактовой частотой 275 МГц.

В1993 г , из-за высокой цены ( более 2000 usd ) вышеупомянутых процессоров, эта корпорация выпустила процессоры Alpha 2166 и 2168 ( 200 -350 usd ) с тактовой частотой 66-233 МГц.

Микропроцессоры PowerPC.

В1992 г компании IBM, Motorola и Apple приняли решение осоздании семейства RISC - процессоров широкого профиля. За основу проекта был взят процессор POWER ( Performance Optimised With Enchanced RISC ) .

PowerPC 601это 32разрядный процессор тактовой частотой 50,66 или 80 МГц был выполнен по 0,8 -микронной технологии.

Дальнейший шаг - PowerPC 603 с тактовой частотой 66 и 80 Мгц, в котором та же структура была реализована в более миниатюрном исполнении.

436

PowerPC 604 выполнен по 0,5 - микронной технологии с тактовой частотой

100 МГц.

Микропроцессоры ARM фирмы Acorn.

Первые МП типа ARM (Acorn Risc Machine) разработаны в 1985 г. разработанный в последнее время 32разрядный МП ( на базе 30-мкм техналогии CMOS ) имеет следующие характеристики: 27 тыс. транзисторов, 4-8 Мгц тактовой частоты, 32разрядную шину данных, производительность10 млн оп/с.

Микропроцессоры CISC - архитекруры.

Микропроцессор АМ 29000 фирмы АМD.

МП ориентирован на широкий спектр применения и имеет следующие характеристики: 26 Мгц -тактовая частота,производительность - 25 млн оп/с.

Микропроцессоры фирмы Intel.

В 1985 г фирма Intel выпускает микропроцессор 80386. Кристалл на котором он был выполнен стал родоначальником нового поколения микропроцессоров.

Микропроцессор i80386.

Микропроцессорный набор 80386 включает следующие схемы: 80386быстродействующий 32-разрядный микропроцессор с 32разрядной внешней шиной; 80387 - быстродействующий 32-разрядный математический сопроцессор; 82384 - генератор тактовых сигналов; 82385 - контроллер кешпомяти, 82307 - арбитр магистрали, 82308 - контроллер магистрали и.т.д.

МП 80386 оптимизирован для многозадачных операционных систем и прикладных задач, для которых необходимо высокое быстродействие.Главной его особенностью является аппаратная реализация так называемой многосистемной програмной среды, обеспечивающей возможность совместной работы разнородных програм пользователей, ориентированных на разные операционные системы ( UNIX, MS DOS, APX 86 ). МП 80386 обеспечивает програмную совместимость снизу вверх по отношению к 16разрядным МП. МП имеет следующие характеристики: 16, 20 , 25, 33 Мгц -тактовая частота, производительность 4 млн команд в секунду, 32 Мб/с- пропускная способность шины.

Микропроцессор i486.

Микропроцессор содержит более 1 млн. транзисторов.Микропроцессорный набор включает в себя следующие микросхемы: 80486 - быстродействующий 32разрядный процессор; 82596СА - 32разрядный сопроцессор LAN; 82320 - контроллер магистрали Micro Channel ( MCA ); 82350 - контроллер магистрали EISA и.т.д.

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

437

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 составляет3,3 вольта, то есть их нельзя устанавливать на обычные системные платы. 486DX4-100 в настольных системах. К сожалению, Intel ограничивает поставки процессоров 486DX4100, а цены на них установил на существенно более высоком уровне, чем на Pentium 60, чтобы избежать конкуренции между собственными продуктами.

Микропроцессоры фирмы АМD.

Фирма AMD производит 486DX-40, 486DX2-50, 486DX2-66. Готовятся к выпуску процессоры 486DX2-80 и 486DX4-120. Они 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 MHz отсутствующий в производственной программе Intel, конкурирует с 486DX33, превосходя его по производительности на20 процентов при меньшей стоимости.

Микропроцессоры фирмы Cyrix.

Фирма Cyrix разработала процессоры М6 и М7 (аналоги 486SX и 486DX 2) на тактовые частоты 33 м 40 MHz, 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 некоторымнесколько ниже. Соответственно, существенно различаются и результаты на разных тестирующих программах. Цены на 486 процессоры Cyrix значительно ниже, чем на Intel и AMD.

Для самых простых систем фирмой Texas Instruments продолжается выпуск дешевых, но эффективных процессоров 486DLC, которые, занимая промежуточное положение между 386 и 486 семейством (они выполнены в конструктиве 386 процессора, обеспечивают производительность на уровне 486 процессора при цене 386. Новая версия - 486SXL с увеличенной до 8 КВ внутренней кэш-памятью еще ближе приближается к характеристикам 486 семейства.

Микропроцессоры фирмы Моtorola серии МС680ХХ.

Это семейство содержит ряд 16 -разрядных микропроцессоров, 32 - разрядные микропроцессоры : 68020, 68030, 68040. Модели микропроцессоров серии 680ХХ не совместимы по обьектным кодам с 8 - разрядными микропроцессорами серии МС68ХХ.

438

В 32 -разрядных микропроцессорах наряду с обеспечением совместимости с 16 -разрядными существенно расширены функциональные возможности : расширение режимов совместимости, масштабирование в ряде режимов ( т.е умножение содержимого индексного регистра на 1, 2, 4 или 8 ) + 16 новых команд процессора и 7 команд сопроцессора. Основные характеристики : тактовая частота 16, 20, 30, 25, 40 ; разрядность АЛУ - 32 ; разрядность шин данных и адреса - 32.

На кристаллах МП отсутствует блок управления внешней оперативной памятью. Управление оперативной памятьюсо страничной организацией осуществляется с помощью микросхемы МС68851.

Отечественные микропроцессоры.

32 - разрядные микропроцессоры серии ― Электроника ‖ и СМ ЭВМ. Основные архитектурные особенности : виртуальное адресное пространство ѐмкостью 4 Гбайт; 32 -разрядное слово; 32 уровня прерывания ( 16 - векторных аппаратных и 16 програмных ); 21 режим адресации; инструкции переменного формата; поддержка совместимости с16 - разрядными моделями серии ― Электроника ―.

Микропроцессоры типа транстьютеров.

Транстьютеры представляют собой микропроцессоры, расчитанные на работу в мультипроцессорных системах с однотипными процессорами и аппаратную поддержку вычислительных процессов. Особенностью транстьютеров является наличие коммуникационных быстрых каналов связи, каждий из которых может одновременно передавать по одной магистрали данные в процессор, а по другой - данные из него. В составе команд транстьютеров имеются команды управления процессами, поддержки инструкций языков высокого уровня. Транспьютеры главным образом применяются в качестве сопроцессоров ПЭВМ.

Транспьютеры фирмы INMOS.

Типичными транспьютерами являются модели Т414 и Т800.

Модель Т414 содержит 6 32-разрядных регистров, три регистра стека, счѐтчик команд, регистр адреса рабочей зоны памяти, регистр операнда. Общее число команд МП равно 111, режимов адресации - 1, коммуникационных каналов связи - 4, скорость передачи по кождому каналу 20 Мбит/с.

Модель Т800 содержит дополнительно сопроцессор арифметических операций с плавающей точкой с быстродействием до 2,25 млн. опер.сек. Системы програмирования транспьютеров в основном включают трансляторы с языков высокого уровня Паскаль, Си, Фортран.

Некоторые характеристики транспьютеров фирмы INMOS : разрядность - 32, скорость обработки данных - 40Мбайт/с, адресуемое пространство - 4 Гбайт

439