Проектирование систем микропроцессоров и сервисное обслуживание

Кэш-память

Во всех процессорах, начиная с 486-го, имеется встроенный (первого уровня) кэш-контроллер с кэш-памятью объемом 8 Кбайт в процессорах 486DX, а также 32, 64 Кбайт и более в современных моделях. Кэш-- это быстродействующая память, предназначенная для временного хранения программного кода и данных. Обращения к встроенной кэш-памяти происходят без состояний ожидания, поскольку ее быстродействие соответствует возможностям процессора, т.е. кэш-память первого уровня (или встроенный кэш) работает на частоте процессора.

Благодаря этому обмен данными с относительно медленной системной памятью значительно ускоряется. Процессору не нужно ждать, пока очередная порция программного кода или данных поступит из основной области памяти, а это приводит к ощутимому повышению производительности компьютера. При отсутствии кэш-памяти такие паузы возникали бы довольно часто.

В современных процессорах встроенный кэш играет еще более важную роль, потому что он часто является единственным типом памяти во всей системе, который может работать синхронно с процессором. В большинстве современных процессоров используется множитель тактовой частоты, следовательно, они работают на частоте, в несколько раз превышающей тактовую частоту системной платы, к которой они подключены. Например, тактовая частота (1 ГГц), на которой работает процессор Pentium III, в семь с половиной раз превышает тактовую частоту системной платы, равную 133 МГц. Поскольку оперативная память подключена к системной плате, она также может работать только на тактовой частоте, не превышающей 133 МГц. В такой системе из всех видов памяти только встроенный кэш может работать на тактовой частоте 1 ГГц. Рассмотренный в этом примере процессор Pentium III на 1 ГГц имеет встроенный кэш общим объемом 32 Кбайт (в двух отдельных блоках по 16 Кбайт).

Если необходимые данные во встроенном кэше отсутствуют, процессор обращается за ними в кэш-память второго уровня или непосредственно к системной шине.

Процессоры Pentium

В октябре 1992 года Intel объявила, что совместимые процессоры пятого поколения (разрабатывавшиеся под кодовым названием Р5) будут называться Pentium, а не 586, как предполагали многие. Такое название было бы вполне естественным, однако выяснилось, что цифровые обозначения не могут быть зарегистрированы в качестве торговой марки, а Intel опасалась конкурентов, которые могли начать выпуск аналогичных микросхем под давно ожидавшимся “непатентуемым” названием. Первые процессоры Pentium были выпущены в марте 1993 года, а через несколько месяцев появились и первые компьютеры на их основе. Pentium совместим с предыдущими процессорами фирмы Intel, но при этом значительно отличается от них. Одно из отличий вполне можно признать революционным: в процессоре Pentium есть два конвейера, что позволяет ему выполнять сразу две команды. (Все предыдущие процессоры выполняли в каждый момент времени только одну команду.) Intel назвала эту возможность суперскалярной технологией. Благодаря этой технологии производительность Pentium по сравнению с процессорами 486 существенно повысилась. Стандартная микросхема 486 выполняет одну команду в среднем за два внутренних такта, а в процессорах DХ2 и DХ4 за счет удвоения частоты-- за один такт. Благодаря использованию суперскалярной технологии в процессоре Pentium можно выполнять по две команды за один такт. Понятие суперскалярная архитектура обычно связывается с высокопроизводительными RISС-процессорами. Pentium-- один из первых процессоров CISC (Complex Instruction Set Computer), который можно считать суперскалярным. Он практически эквивалентен двум процессорам 486, объединенным в одном корпусе.

Таблица 1

Характеристик процессора Pentium

Контрольные вопросы:

1. Опешите основных параметров процессоров

2. Каких производителей микропроцессоров вы знаете?

3. Чем отличается микропроцессор от сопроцессора?

4. Что такое тактовая частота?

5. Что такое понятие шин данных и адреса?

6. Что такое КЕШ память?

7. Основные характеристики процессора Pentium

Лекция 8. Микропроцессы и микро-ЭВМ. Основные определения. Классификация

План

1. Строения (архитектура) ЭВМ

2. Шинные система микро-ЭВМ

3. Схема соединения блоков микро-ЭВМ

4. Обмен информации в микро-ЭВМ

Ключевые слова и термины: понятие ЦП и микро-ЭВМ, адрес шины, шина данных, шина управления, микропроцессор, создания процессорных систем, сигналы входа и выхода микропроцессора, адрес шин (данных), адрес вращения (строб) STB (или ALE), сигнал шинного опроса HLD (или HOLD), NMI - не маскированная разъединения.

Микропроцессоры -- это обрабатывающее и управляющее устройства, выполненные с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающие способностью выполнять под программным управлением обработку информации, включая ввод и вывод информации, принятие решений, арифметические и логические операции.

В общем случае в состав МП входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ); схема управления и синхронизации; регистр-аккумулятор; сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ); программный счетчик; адресный стек; регистр команд и дешифратор кода операции: параллельные шины данных и ввода -- вывода; схема управления памятью и вводом - выводом.

Микро-ЭВМ -- это вычислительная или управляющая система, выполненная на основе МП, в состав которой могут также входить: программная память (обычно - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)); память данных (обычно - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)); устройства ввода - вывода (УВВ); генератор тактовых сигналов, а также другие устройства, выполненные с использованием БИС или элементов с меньшей степенью интеграции.

Первый МП появился в 1971 г. (Intel 4004), однако в настоящее время известно уже около 100 различных типов МП, точнее, микропроцессорных комплексов (МПК) БИС, поскольку фирмы-изготовители предлагают обычно наборы из нескольких БИС: МП, ОЗУ, ПЗУ, полупостоянной памяти (ППЗУ), ввода--вывода и др. Такое многообразие МП определяется различным сочетанием их характеристик, некоторое представление о котором можно получить из приведенной на рис. В.3 классификации МП.

Улучшение большинства характеристик МП непосредственно связано с совершенствованием технологии. Именно она определила общепринятое в настоящее время деление всех МП на три поколения: 1 - на основе р - канальной МОП-технологии; 2-на основе n-канальной и комплементарной МОП-технологии; 3 - на основе биполярной технологии.

МП первого поколения характеризуются временем выполнения команд 10-20 мкс, относительно ограниченными набором команд, объемом памяти и видами адресации. МП второго поколения появились в 1973 г. от МП первого поколения они отличаются меньшим временем выполнения команд (2-5 мкс), расширенными набором команд, объемом памяти и видами адресации. Эти МП проще в использовании, поскольку выпускаются комплектами БИС. МП третьего поколения (1974 г.) выполняются с использованием биполярной технологии, что обусловливает их высокое быстродействие (время выполнения команд 100 -- 300 не), и микропрограммного принципа управления.

Большое количество существующих в настоящее время типов МП свидетельствует о том, что хотя МП является алгоритмически универсальным прибором, существует определенный класс применений, для которого данное сочетание характеристик МП дает наибольший технико-экономический эффект.

При всем разнообразии МП можно выделить общие для всех типов характеристики и свойства:

— малая разрядность слова: 2, 4, 8, 12 или 16 бит;

— ограниченная мощность набора команд (обычно требуется 2-5 команд для выполнения операции, эквивалентной одной команде мини - ЭВМ);

--аппаратно подкрепленная организация связи подпрограмм (с помощью стека);

— программно-управляемый ввод - вывод;

— низкая стоимость микро-ЭВМ (обычно 1 -- 5% от стоимости мини-ЭВМ).

Контрольные вопросы:

1. Расскажите про архитектуру ЭВМ.

2. Каких поколений знаете микропроцессоров?

3. Что входит в состав микропроцессора?

4. Расскажите характеристику микропроцессора.

5. Что такое микро-ЭВМ?

Лекция 9: Конструктивные и функциональные модули микропроцессоров

План

1. Описания модуля

2. Функциональный модуль

3. Конструктивный модуль

4. Основные направления развития микропроцессорных средств

Ключевые слова и термины: Функциональный модуль, конструктивный модуль, логические элементы, элементарные функциональные модули, типовые функциональные узлы, типовые функциональные блоки, функциональное устройство ЭВМ, навесные элементы, печатные узлы, блок, рама, стойка, конструктивный комплекс.

Определим модуль как законченный элемент, который может служить конструктивной, функциональной, метрологической, информационной и другой единицей (мерой) при проектировании, изготовлении, эксплуатации, а также сравнении изделий.

При разработке ЭВМ под модулем будем понимать вычислительное устройство, обладающее функциональной, конструктивной и электрической завершенностью, способное самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать требуемые задачи.

Функциональная завершенность характеризует способность реализовать без помощи дополнительных средств конечное число функций вычислительного процесса.

Конструктивная завершенность предполагает выполнение устройства в виде конструктивного элемента одного из уровней иерархии конструктивов, а также наличие средств механической фиксации и электрической коммутации при установке в качестве элемента в конструктивном модуле высшего уровня.

Электрическая завершенность предусматривает наличие в модуле средств электрического сопряжения с модулями определенного класса, а также автономных схем синхронизации и питания.

Дополнительными требованиями при проектировании модулей являются требования автономности (асинхронности), энергетической, конструктивной, информационной, электрической, эксплуатационной совместимости -- способности непосредственного сопряжения модулей без использования дополнительных средств.

Конструктивно-функциональный анализ модулей существенно осложняется тенденцией отображения все более сложных функций конструктивными элементами все более низких уровней, вызванной интенсивным развитием интегральной технологии. В связи с этим целесообразно рассматривать отдельно конструктивные и функциональные модули.

Функциональный модуль (ФМ) -- функциональная часть вычислительного устройства, обладающая функциональной завершенностью, не имеющая, как правило, самостоятельного конструктивного оформления.

Можно выделить следующие функциональные уровни рассмотрения средств ВТ и соответствующих им ФМ:

1. Логические элементы (ЛЭ) -- вентили-логически неделимые элементы, реализующие одно- или двухступенчатые логические функции И -- НЕ, ИЛИ -- НЕ, И -- ИЛИ -- НЕ, И -- ИЛИ, И, ИЛИ, НЕ.

2. Элементарные функциональные модули (ЭФМ) -- совокупность ЛЭ, реализующая заданную функцию хранения или преобразования информации над операндами единичной длины. К ним относятся одноразрядные ячейки памяти, триггеры, разрядные сечения регистров, счетчиков, сумматоров и других типовых функциональных узлов. Частным случаем ЭФМ являются ЛЭ.

3. Типовые функциональные узлы (ТФУ) -- совокупность ЭФМ, предназначенная для хранения или (и) преобразования информационных слов (регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы, многоразрядные ячейки памяти). Частным случаем ТФУ являются ЭФМ.

4. Типовые функциональные блоки (ТФБ) -- совокупность ТФУ, реализующая функции хранения, обработки, обмена массивов информации или управления этими процессами. Примерами ТФБ являются ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, блок управления.

5. Функциональное устройство ЭВМ (ФУ ЭВМ) -- совокупность ТФБ, реализующая одну или несколько функций хранения, обработки, управления и обмена над различными типами информационных массивов в ЭВМ. Примерами ФУ ЭВМ являются процессор, устройства ввода - вывода, ЗУ. Частным случаем ФУ ЭВМ являются ТФБ.

6. ЭВМ -- совокупность устройств, осуществляющая автоматическое решение задач, представленных программами и данными в цифровой или аналоговой форме.

Необходимо отметить определенную условность деления ЭВМ на указанные ФМ.

Основными макрофункциями вычислительного процесса, реализуемыми ФМ различного уровня являются функции хранения (memory)-- М, обработки (processing) -- Р, обмена (transfer) -- Т и управления (control) -- С.

Конструктивный модуль (КМ) -- устройство, обладающее конструктивной завершенностью и рассматриваемое, как правило, безотносительно к функциональному назначению.

Можно выделить следующие уровни конструктивной иерархии и соответствующие им КМ:

1. Навесные элементы (НЭ) -- электро-, радио- и вычислительные элементы, рассматриваемые при проектировании РЭА как конструктивно неделимые, выполненные методами дискретной или интегральной технологии, имеющие средства защиты (корпус), а также механической и электрической коммутации с другими КМ. Основным видом НЭ при проектировании ЭВМ являются ИС, СИС, БИС, МПК БИС.

2. Печатные узлы (ПУ) -- совокупность НЭ (ИС, БИС), размещенных на печатной плате и объединенных в законченную схему печатными проводниками, имеющая средства коммутации с другими КМ. В практике конструирования ЕС ЭВМ и других ЭВМ ПУ получил название типовой элемент замены (ТЭЗ). ТЭЗ -- типовая минимальная составная часть устройств ЭВМ, которая может быть заменена аналогичной. ТЭЗом может быть КМ любого уровня.

3. Блок (Б) -- совокупность ПУ (ТЭЗ), электрически объединенной проводным или печатным монтажом и имеющая средства защиты от внешних воздействий (в панели отсутствуют) и электрической коммутации с другими КМ.

4. Рама (Р) -- совокупность панелей.

5. Стойка (С) -- совокупность блоков (рам, панелей), имеющая корпус, средства стабилизации режимов эксплуатации, питания, управления и коммутации. К этому уровню могут быть отнесены автономные пульты управления, тумбы и т. д.

6. Конструктивный комплекс (К) -- совокупность стоек, пультов управления, тумб и других КМ, выполняющих все необходимые функции в соответствии с назначением системы обработки информации.

Большое число модулей низших конструктивных уровней (НЭ, ПУ) в современных ЭВМ, снижение их повторяемости, различие темпов роста степени интеграции элементов и числа внешних связей КМ усложняет проблему конструктивно-функциональной организации модулей при их исполнении в виде БИС, ПУ, ТЭЗ. Число ИС и их типов в ЭВМ измеряется соответственно десятками и сотнями тысяч (в процессоре ЭВМ ЕС 1060 20000 ИС и 500 типов ТЭЗ, а повторяемость последних не превышает 2).

Большое внимание при разработке ЭВМ в настоящее время уделяется функциональной организации БИС и ПУ. Это вызвано тем, что они являются основными видами ТЭЗ, на уровне которых производится ремонт ЭВМ. Поэтому особенно важной является задача сокращения номенклатуры модулей низших конструктивных уровней.

На рис. 1.1 приведены варианты взаимного соответствия (взаимо-отображения) ФМ и КМ, характерные для ЭВМ различных поколений (I - IV). Функциональное наполнение КМ и конструктивное оформление ФМ определяются как конструктивно-технологическими ограничениями, характерными для данного этапа развития технологии, так и принципами проектирования и структурной организации ЭВМ.

Изменение характера зон при переходе к новым поколениям ЭВМ отражает, с одной стороны, увеличивающееся разнообразие конструктивного выполнения ЭВМ, а с другой -- возрастание функциональной нагрузки КМ низших уровней.

Анализ развития элементно-технологической базы показывает, что опережение роста функциональных возможностей элементов уровня их конструктивной сложности приводит к развитию и углублению взаимно-неоднозначного соответствия функциональных и конструктивных модулей и необходимости их совместного функционально-технологического синтеза.

Разрешить противоречия взаимно-неоднозначного соответствия ФМ и КМ можно совместным функционально-технологическим проектированием модулей и использованием принципа максимального структурно-логического соответствия ФМ и КМ. Этот принцип предполагает разработку структур ФМ с учетом конструкторско-технологических ограничений. Это означает последующее отображение ФМ конструктивными модулями, характеризующимися в функциональном отношении общностью структурной организации и логики функционирования с отображаемыми ФМ. Функциональное наполнение КМ при этом отличается от ФМ лишь количественными показателями (разрядностью, объемом памяти) и различной схемотехнической интерпретацией структурных решений ФМ.

Таким образом, вопрос о функционально-конструктивной организации модулей в условиях технологии БИС становится исключительно важным.

Решение этого вопроса осложняется ограничениями экономического характера, проявляющимися в требованиях минимизации числа типов модулей, их внешних выводов, времени проектирования, изготовления и диагностики неисправностей и требует проведения работ не только в области конструкторско-технологической, но и в области функциональной унификации.

Десятки типов МП, имеющихся сегодня на мировом рынке, свидетельствуют, с одной стороны, об освоении процессов разработки и изготовления МПК БИС, а с другой, -- о трудностях концепции универсальных модулей. Отсюда вытекает необходимость совместной использования принципов универсальности и специализации путем выделения и исследования классов задач, алгоритмов, функций и создания проблемно- и функционально-ориентированных на эти классы модулей и обеспечения возможности развития, наращивания средств н основе базовых, относительно устойчивых структур.

Основные направления развития микропроцессорных средств

В качестве основных направлений развития микропроцессорных средств можно отметить следующие:

- создание все более развитых и эффективных универсальных MП путем повышения уровня интеграции, увеличения числа функций реализуемых на кристалле, и развития схем сопряжения;

- разработка проблемно-ориентированных МПК БИС, включающих как многофункциональные, так и специализированные модули;

- создание ЭВМ на основе многофункциональных регулярных структур типа систем памяти.

Непременным условием проектирования ЭВМ в рамках каждого из направлений является анализ и учет возможностей, ограничений тенденций развития интегральной технологии и принципов проектирования ЭВМ на БИС.

Отсутствие общей методологии разработки минимального числа типов структурно-однотипных процессорных модулей, отвечающих требованиям технологии БИС, и организации на их основе проблемно- ориентированных ЭВМ существенно усложняет разработку систем.

Контрольные вопросы:

1. Опишите функционального модуля

2. Опишите конструктивного модуля

3. Что такое логические элементы?

4. Что такое элементарные функциональные модули?

5. Опешите типовых функциональных узлов.

6. Опешите типовых функциональных блоков.

7. Что такое функциональное устройство ЭВМ?

8. Опешите навесные элементы, печатные узлы, блоки, рамы и стойки

Использованная литература

1. Е.П. Балашов, Д.В. Пузанков. Микропроцессоры и микропроцессорные системы.- М.:"Радио и связь", 1981.

2. Е.П. Балашов, В.Л. Григорьев, Г.А. Петров. Микро и мини ЭВМ. М.: Энергоатомиэдат, 1984.

3. Л. Левенталь. Введение в микропроцессоры.- М.: Энергоатомиздат, 1983

4. Г. Гибсон, Ю-Ч. Лю. Аппаратные и программные средства микро-ЭВМ. - М.: Финансы и статистика, 1983.

5. Дж. Уокерли. Архитектура и программирование на микро-ЭВМ. М.: Мир, 1984.

6. А. Дирксен. Микро-ЭВМ. - М.:Энергоиэдат, 1982.

7. А.В. Гиглавый и др. Микро-ЭВМ СМ-1800.Архитектура, программирование, применение. - М.: Финансы и статистика, 1984.

8. Р. Токхайм. Микропроцессоры. Курс и упражнения. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

Размещено на Allb

est.ru