Цифрлық қондырғылардағы процессор элементтерін жобалау

 ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ ҒЫЛЫМ ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТРЛІГІ Қ.И.Сатпаев атындағы Қазақ Ұлттық Техникалық Университеті Электроника, Мехатроника және Робототехника кафедрасы КУРСТЫҚ ЖҰМЫС Тақырыбы: Цифрлық қондырғылардағы элементтерді (процессорды) жобалау. Орындаған: ЭС-02-1қ. т.ст. Маулет А . Aбдолла Қабылдаған: Аға оқытушы Кусен К.Е. АЛМАТЫ 2005 Мазмұны КІРІСПЕ 1. ПРОЦЕССОРДЫ ЖОБАЛАУ 1.1. Процессордың даму тарихы 1.2. Процессордың негізігі сипаттамалары 1.3. Интеграциялау деңгейі 1.4. Ішкі деректер разрядтылығы 1.4.1. Сыртқы деректер разрядтылығы 1.5. Тактылық жиілік 1.6. Жадының адрестелуі 1.7. Процессордың жұмыс режимі 1.8. Процессорлардың жылдамдығы және тоқтап қалуы 1.9. Қорек және процессорлардың салқындатылуы 1.10. Көп процессорлық жүйе 1.11. Қосалқы процессор 2. INTEL ФИРМАСЫ ПРОЦЕССОРЛАРЫНЫҢ АРХИТИКТУРАСЫ 2.1. Pentium процессоры -54 2.2. Р6 процессоры-Pentium PRO 3. ПРОЦЕССОРДЫҢ ЖҰМЫС АЛГОРИТМІ 3.1. Процессор құрылысы 3.2. Процессордың жұмыс алгоритмі 3.2.1. Арифметика-логикалық құрылғы 3.2.2. Бүтін сандық АЛУ ҚОРЫТЫНДЫ Пайдаланылған әдебиеттер тізімі Голосарий КІРІСПЕ Қазіргі кездегі дербес компютердің ең негізгі құрылғыларының бірі Микропроцессорларды шығару тарихы 50-ші жылдары басталды. Бұл кезде Осы күннен бастап, үш онжылдық ішінде микропроцессорлар қарқынды 486 процессорларынан бастаса жағдай тым өзгереді: Сопроцессорлар басты процессорлардың бөлігі болды. Сол уақытта процессордын Өкінішке орай, барлық процессорлардын арасындағы толық келісушілік, бір 1. Сокеттің типі 2. Талап етілген кернеу 3. BIOS версиясымен процессорды қолдану 4. Берілген процессорлардын пайдалану талаптары Егер бірінші екі пункт анықталатын болса, онда соңғылары Платалардың симметриялы мультипроцессорлы жүйелер үшін жұп слоттары болу 1 ПРОЦЕССОРДЫ ЖОБАЛАУ 1.1 Процессодың даму тарихы Қазіргі кезде дербес компютерлерге (ДК) арналған процессорларды шығаратын Процессор – дегеніміз негізгі платаның «Жүрегі» (Central Processing Тактылық жиілік-бұл процессордың жұмыс істеу жылдамдығы, яғни 1 Ұрпақ- процессорлардың ұрпақтары бір-бірінен жұмыс істеу жылдамдығымен, архитиктурасымен, Модификация- алдыңғы қатардағы және әрқашан бәсекелестікте болған Intel Өндіру технологиясы- бұл сипаттама процессрдағы элементердің минималды саны Бірінші деңгейлі кэш-жадысы. Ол кішкене (бірнеше ондық килобайт), Екінші деңгейлі кэш-жады. Бұл жады біраз жайлау жүреді, Процессорлар, басқа да электрлік схемалар сияқты, әртүрлі типтерге 1.2 Процессорлардың негізгі сипаттамалары Процессор–өнімділігін келесі негігі параметрлермен сипаттауға болады: Интеграцилау деңгейі Өңделетін мәліметтің ішкі және сырқы разряттылығы Тактылық жиілік Процессорды мекендей алатын жады. Кэш-жадысының берілген көлемі. Сонымен қатар процессорды өндіру технологиясымен, қоректену кернеуімен, форм-факторымен Қазіргі процессорлар, әрине Pentium процессорларынан бастап, кэш-жадысының екіші, 1-кесте. Intel корпорациясы процессорларының негізгі сипаттамалары: Ата-луы Рынокта пайда болған жылы Раз-ряд-тылығы, бит Такты-лық жиілігі, МГц Кэш (мәлімет/ коман-далар) Кбайт Қоректе- ну Кернеуі, В Жаслу техно- логия- сы,мкм Крис- тал көле- мі, мм2 Тран- зис- тор- лар саны, млн 4004 8008 8080 8085 8086 8088 80286 i386DX i386SX i486DX i486SX i486DX2 i486DX4 P5 P54C P54CQS P54CS P55C(MMX) P6(PentiumPro) Pentium II (Klamath) Pentium II (Deschutes) Celeron (Covington) Pentium II Xeon (Deschutes) Pentium III (Katmai) Pentium III MMX2 (Coppermine) Celeron (Mendocino) Pentium III Xeon MMX2 (Tanner) Pentium III Xeon MMX2 (Cascades) Celeron (Coppermine) 1971 1972 1974 1976 1978 1979 1982 1985 1988 1989 1991 1992 1994 1993 1994 1995 1995 1997 1995 1997 1998 1998 1998 1999 1999 1998 1999 1999 2000 4 8 8 8 16 16 16 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 0,108 0,2 2 5 5 5- 8 6-12 16-33 16-33 25-50 16-33 50-66 75-100 60-75 90-100 120 133-200 166-266 150-200 233-300 333-450 266-400 400-450 450-600 500-733 300A-400 500-550 600-733 533-600 - - - - - - - - - 8 8 8 16 8/8 8/8 8/8 8/8 16/16 8/8 16/16 16/16 16/16 16/16 16/16 16/16 16/16 16/16 16/16 16/16 12,0 12,0 12,0 5,0 5,0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 3.3 5.0 3.3 3.3 3.3-3.45 2.8 3.1-3.3 2.8 2.0 2.0 2.0 2.0 1.5 10,0 10,0 6 6 3,0 3.0 1.5 1.5-1 1.5-1 1-0.8 1-0.8 0.8 0.6 0.8-0.6 0.6 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.25 0.25 0.25 0.25 0.18 0.25 0.25 0.18 0.18 43 81 81 345 296 148 90 90 141 306 203 131 131 131 0,0023 0,0035 0,006 0,0063 0,029 0.029 0.134 0.275 0.275 1.2 1.185 1.2 1.6 3.1 3.1 3.1 3.3 4.5 5.5 7.5 7.5 7.5-19 7.5 9.5-0.25 0.28 19 9.5 28 28 2-кесте. Cyrix/IBM корпорациясы процессорларының негізгі сипаттамалары : Ата-луы Рынокта пайда болған жылы Разряд-тылығы, бит Такты-лық жиілігі, МГц Кэш (мәлімет/ коман-далар) Кбайт Қоректе- ну Кернеуі, В Жаслу техно- логия- сы,мкм Крис- тал көле- мі, мм2 Тран- зис- тор- лар саны, млн 486DX4 5x86 (M1sc) 5gx86 (MediaGX) 6x86(M1) 6x86(M1R) 6x86MX (MII) MXi(M3) 1993 1995 1996-98 1995 1996 1997-98 1998 32 32 32 32 32 32 32 100 100-120 120-233 100-120 100-150 150-250 250 8 16 16 16 16 32 32 3.0 3.4 3.3 3.3 3.3/2.8 2.9 2.9 0.65 0.65 0.6-0.5 0.65 0.5 0.3 0.25 196 144 160 394 169 197 ~90 1.1 2.0 2.4 3.0 3.0 6.0 6.0 3-кесте. AMD корпорациясы процессорларының негізгі сипаттамалары : Ата-луы Рынокта пайда болған жылы Раз ряд-тылы ғы, бит Такты- лық жиілігі, МГц Кэш (мәлімет/ коман-далар) Кбайт Қорек-те-ну Кер неуі, В Жаслу техно- логия- сы,мкм Крис- тал көле- мі, мм2 Тран- зис- тор- лар саны, млн NX586 Am486 Am5x86 Am5k86 K5 K6 K6-2 K6-3 K7 (Athlon) K7 (Duron) K7 (Thun derbird) 1995 1995 1995 1995-96 1996-97 1997-98 1998-99 1998 1999-00 2000 2000 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 93-133 120 133 75-100 90-120 166-300 266-450 400-450 500-1000 600-700 1100 16/16 16/16 16 16/8 16/8 32/32 32/32 32/32 32/32 32/32 32/32 4-3.6 3.6 3.6 3.5 3.5 2.9-3.2 2.2 2.2 1.6-1.8 1.8 1.8 0.5-0.44 0.5 0.35 0.35 0.35 0.35-0.25 0.25 0.25 0.22-0.18 0.18 0.18 199-118 118 43 161 161 162-68 81 135 184 100 100 3.5 3.5 3.5 4.3 4.3 8.8 9.3 21.3 22 22 22 1.3 Интеграцилау деңгейі Микросхеманың (чиптің) интеграция деңгейі- дегеніміз оған қаншалықты транзисторлардың Intel корпорациясының мамандарының айтуы бойынша, егер микропроцес-сорлар индустриясының 1.4 Ішкі мәліметтердің разрядтылығы Процессорлардың негізгі сипаттамаларының бірі болып бит саны саналады, 1.4.1 Сыртқы мәліметтердің разрядтылығы Процессор сыртқы кэш-жадысымен, RAM және басқа да құрылғылармен, 4-6 кестелерде процессорлардың әртүрлі ұрпақтарының сыртқы мәліметтердің разрядтылығы Ескерту: Процессор сыртқы мәлімет разрядтылығымен анықталмай, ішкі мәліметтер 4-кесте. Процессорлардың 1 және 2 ұрпағының сыртқы мәлімет разрядтылығы Процессор типі Сыртқы мәлімет разрядтылығы,бит Жүйелік шинаның өтнізу Жүйелік шинаның тактылық жиілігі,МГц 4,7 6 8088 8086 80286 8 16 16 4,77 9,54 - - 12 5-кесте. Процессорлардың 3 және 4 ұрпағының сыртқы мәлімет разрядтылығы Процессор типі Сыртқы мәлімет разрядтылығы,бит Жүйелік шинаның Жүйелік шинаның тактылық жиілігі,МГц 16 20 80386DX 80386SX 80486DX 80486SX 80486DX2 80486DX4 AMD 5х86 Сyrix 5x86 32 16 32 32 32 32 32 32 66 80 33 40 - 66 80 - - - - 6-кесте. Процессорлардың 5, 6 және 7 ұрпағының сыртқы мәлімет Процессор типі Сыртқы мәлімет разряд тылығы, бит Жүйелік шинаның өтнізу қабілеті,Мбайт/с Жүйелік шинаның тактылық жиілігі,МГц 50 55 Pentium PentiumMMX 6x86 K5 Pentium PRO Pentium II/III K6 6x86MX K-7 Willamate 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 400 400 400 440 400 – - - - - - - 1.5 Тактылық жиілік Кез-келген қазіргі кездегі ДК құрамында тактылық генератор болады 7- кесте. Жүйенің әртүрлі компоненттерінің тактылық жиіліктері: Құрал/шина Тактылық жиілік, МГц Процессор Екінші дәрежелі кэш-жады Жүйелік жина PCI шинасы ISA шинасы 266(FSBx4) 133(FSBx2) 66(FSB) 33(FSB/2) 8.3(FSB/8) Осылайша бүкіл жүйенің өнімділігі, толық жүйелік шинаның тактылық 1.6 Жадының адрестелуі Процессор ДК-ң оперативтік жадысымен тікелей байланыста болады. Ол Оперативті жадыны кішкене қалашық деп алсақ, ондағы әрбір Адрестік шинаның ені- оқу немесе жазу үшін процессорға 8-кестеде адрестік шина ені және әртүрлі процессорлардың типтері 8-кесте. Адрестік шина ені мен адрестелетін жады көлемінің тәуелділігі: Процессор типі Адрестік шина ені, бит Адрестелетін жады 8088, 8086 80286, 80386SX 80386DX, 80486DX, 80486SX 80486DX2, 80486DX4, AMD 5x86, Cyrix 5x86, Pentium, Pentium MMX, Celeron, 6x86, K5, Pentium PRO, Pentium II/III 20 24 32 36 1 Mбайт 16 Мбайт 4 Гбайт 64 Гбайт 1.7 Процессор жұмысының режимдері Нақты режимі (Real Mode)- 8086/8088 процессорлары мүмкіндіктеріне сәйкес Қауіпсіз режим (Protected Mode)-ең алғаш процессор 80286-да пайда Виртуалды режим-процессорлар 386 процессорынан бастап, 8086 (минимум 256) 1.8 Процессорлардың жылдамдығы және тоқтап қалуы Микропроцессорларды шығаратын фирмалар оның тұрақты ұзақ жұмыс атқаруына 1. Кіріс жиілігінің жрғарлауы 50- ден 60- 2. Көбейту коэффицентінің жоғарлауы ядро 75мГц ядро жиілігіндегі 3. комбинациялы өзгертулер және сыртқы жиілікті көбейту коэффиценті Pentium процессоры 100мГц, ал сондай- ақ 50 мГц Жүйелік платаларда, тек Intel процессорларына ғана емес, одан Егер процессордың жылдамдығы мен пайдаланушы айналысса ,онда ол Жылдамдықтың мүмкін болатын нұсқаларына кесте келтірейік. Бұл кесте Әрине, тым жоғарғы жиілігі бар процессорлар шығады . 9 – кесте. Pentium процессорларының «жылдамдығының» варианттары. Процессорлар Мүмкін болатын жиілік Intel Pentium 75 90,100 Intel Pentium 90 100 (120) Intel Pentium 100 120 (133) Intel Pentium 120 133 Intel Pentium 133 150, 166 (180, 200) Intel Pentium 150 166, 180,200 Intel Pentium 166 180,200 Intel Pentium MMX 166 180,200,233 Intel Pentium MMX 200 233 1.9 Қорек және процессорлардың салқындатылуы Алғаш процессорлар 5В қорек кернеуін пайдаланған. Технологияның өркендеуі 10 – кесте. Процессорлардын жұмыс істеу диапазондарының температурасы Процессор Жұмыс істейтін диапазондардың түрлері Intel 486тм SX, Intel 486DX ,Intel DX2тм ,Intel Intel DX2 ,IntelDX4 Over Drive 0...+95 Pentium 60 мГЦ 0...+80 Pentium 66... 166 МГц 0...+70 1.10 Көп процессорлық жүйе Көп процессорлық жүйелер соңғы кезде кең тарау алды, процессордың жиынтағы. Оның себебі, мысалы, 2 процессорды қолданып Сурет 1. Көп процессорлық жүйе. Көп процессорлы жүйені құрастыру үшін келесі шарттарды орындау - Материнский плата бірнеше процессорларды қолдауы қажет, яғни Процессор көп процессорлы жүйе жұмысын қолдап тұруы қажет Операциялық жүйе бірнеше процесорлардың жұмысын қолдауы қажет (Windows Физикалық көп процессорлық жүйе болғанмен, факті жүзінде-бұл да Асимметриялық режимдкгі өңдеу кезінде бір процессор тек операциялық Симметриялық режимдегі өңдеуде (Symmetric Multi-Processing,SMP) операция-лық жүйе тапсырмалары 1.11 Қосалқы процессор Платадағы микросхемалар арасында ақпараттар алмасуымен қатар процессордың Қалқымалы нүктелі арифметикалық операцилардыорындау үшін, арнаулы арифметикалық процессор 2 INTEL ФИРМАСЫ ПРОЦЕССОРЛАРЫНЫҢ АРХИТИКТУРАСЫ 2.1 Pentium процессоры – Р54 Ол алғаш 1993 ж. шықты. Адрестік шина разрядтылығы-32 Суперскалярлық архитиктура-екі параллельді жұмыс істейтін өңдеуші конвейерлері, оларға Кристалда ассоциативті бірінші деңгейлі кэш интегралданған – L1 M-state – жол тек бір кэште бар және Е-state – жол тек бір кэште бар, бірақ S-state – жол бірнеше кэште болуы мүмкін. Оны I-state – кэште жол болмайды, оны оқу жолды Процессор құрамында жаңартылған қалқымалы нүктелі есептеу блогі бар. Архитиктураның кеңейтілуі енгізілген (32 разрядтық МП базалықархитиктурасына Текстік регистрлер TR1…TR12 Өнімділік мониторингі құрылғылары. Машиналық қатенің бақылауын іске қосатын, мәліметтер циклы және Ішкі құрылғылардың қателерін (паритеттің ішкі басқарылуы) және сыртқы Chip құрамында APIC(Advanced Programmable Interrupt Controller) енгізілген – SMP- режимі әрбір цифрлық құрылғы операциялық жүйемен берілген FRC режимінде екі процессорда (Master мен Checker) Сурет 3. Р54 процессорының блок диаграммасы: Сурет 4. Pentium процессорының көрінісі. Сурет 5. Жоғарыда мультипроцессорлық жүйенің диаграммасы көрсетілген. 2.2 Р6 Процессоры-Pentium PRO Бұл процессор 1995 жылдары шықты. Алғашқылары 0.6 мкм Адрестік шина 36 разрядқа дейін кеңейтілген, сәйкесінше адрестелетін L1 кэші, алдыңғы процессорлар сияқты, екі 8к-дан тұратын, Динамикалық орындалу құрамына: тармақталынудың терең болжамы , мәліметтер Мәліметтер ағынының динамикалық анализі. Dispatch/Execute модулі бір Интегралдық орындау: бұл қасиетпен процессормен командаларды орындау мүмкіндігін Жүйелік шинаның интерфейсі төрт процессордың симметриялық мульти процессорлық Қорта айтқанда, . Pentium Pro әр қашанда қымбат Сурет 6. Pentium Pro процессорының блок диаграммасы. Сурет 7. Pentium Pro процессорының жалпы көрінісі. 3 ПРОЦЕССОРДЫҢ ЖҰМЫС АЛГОРИТМІ 3.1 Процессор құрылғысы Процессордың негізгі функцияналдық компоненттері: -Ядро, осы кездегі модульды орындайтын процессордың жүрегі. -Тармақталунудың алдын-ала құрылғы. Бұл модуль алдыңғы құрылғылардың алдын -Қалқымалы нүкте блогы. Pentium ішіндегі үшінші орындауші модуль, -Бірінші деңгейлік кэш. Pentium-да екі ішкі 8 кб-тық -Шиналық интерфейс. Процессордағы мәліметтерді және аралас кодтарды қабылдайды. Сурет 8. Процессордың ішкі құрылғысы. Процесордың барлық элементтері операциялардың орындалу жылдамдығын анықтау үшін, Көптеген анықтамалықтар арифметика-логикалық құрылғымен (АЛУ) іске асырылып жалпы 3.2 Процессордың жұмыс алгоритмі Процессордың бүкіл алгоритмін бірнеше жолмен сипаттауға болады: НЦ СК-қа жазылған, адресс боынша жадыдан команданы оқу Оқылған команда ұзындығына сәйкес СК-ның ұлғауы Оқылған команданың орындалуы КЦ Дегенмен бұл алгоритмді түсіну үшін командаларды орындайтын логикалық 3.2.1 Арифметика-логикалық құрылғы АЛУ-дің логикалық схемасы деңгейі логикалық элементтрден тұрады, олар Триггер-екі тұрақты күйі бар электронды схема, ол информацияны Сурет 9. Триггерді қолдану схемасы-И-НЕ (а) және ИЛИ-НЕ Триггер қыспасы-оның кірістерінің біріне берілген, кіріс сигналдың күйін Сурет 10. И-НЕ элементтіндегі RS –триггерінің қолдану схемасы. RS-триггері 0 және 1 күйлерін орнатуға арналған бөлек Сурет 11. Т-триггерін қолдану схемасы. Т-триггері жұп кірісі бар біркірістік триггер, информация бір Сурет 12. D-триггерін қолдану схемасы. D-триггер, кіріс сигналды синхрондалудың бір тактіге қалып отыру JK-триггер, 0 және 1 күйлерін бөлек орнатуға болатын, DF- триггері, D-триггерінің режимін бір кіріспен іске асыруға Тұрақсыз күйі бар триггерлерді вибраторлар деп атайды. Бір Сурет 13. Регистрдың қолданылуы. Регистр-n разрядты мәліметтер блогын жіберу, сақтау және қабылдауға Сурет 14. Белгі орнын ауыстыруымен бірразрядтық сумматорды қолдану. 3.2.2 Бүтін санды АЛУ Бүтін санды арифметика-логикалық құрылғы, ең алғышқы әмбебап АЛУ Микропроцессор командаларының көптігіне қарамастан, бұл құрылғы негізінен барлық 11-кесте. Микропроцессордың негізгі командалары: Элементарные операции целочисленного АЛУ. Операция Белгіленуі Операндтар саны Ішкі жүйелік орындалу Қосу + 2 Сумматор Алу - 3 Cумматор және регистр Логикалық көбейту, И ^, &, and 2 Логикалық қосу, ИЛИ V, |, or 2 Солға жылжу > 2 Регистр Инверсия(НЕ) !,not 1 Логикалық схемалар 1-ге көбею инкремент ++,inc 1 Сумматор 1-ге азаю декремент --,dec 1 Сумматор Дәл осы операциялар микропроцессордың бір тактынде орындалады және 1 Нәтиже нөлдерге айналады. 2 Егер В санының соңғы разряды бір болса, 3 А саны бір разрядтқа солға жылжиды, ал 4 Қадамдар екіншіден жетіншіге дейін жетірет қайталанады. Ескерту: бір разрядтқа солға жылжу 2-ге көбейтуге, ал Санның танбасының өзгеру командасы төмендегідей болады: 1 Алдымен санның инверсиясы болады 2 Одан кейін нәтиженің инкрементациялануы болады (яғни, бір 3 Осылайша сан қосымша кодтқа ауысады. Санның танбасын 3.2.3 Қалқымалы нүктелі сандарға арналған АЛУ Операцияларды қалқымалы нүктемесімен орындағанда есептеу логикасы қиындайды. Өйткені 1 Үлкен және кіші сандардың тәртібінің айырмашылығы табылады. 2 Айырмашылықа тең, бір қадамқа алынған, кіші сан Осыдан кейін мантиссаға әдеттегі бүтінсандық операциялар орындалады. Кейінірек, 1 Мантиссаның нөлдік бөлігіндегі нөлдік емес танбалар алынып 2 Осыдан кейін n-саны тәртіптен алынады. Ереже бойынша, коррекция операциясын автоматты түрде іске қоспай, ҚОРЫТЫНДЫ Процессорларды жобалаудың жаңа технологиясына көшу, жаңа алгоритмдерді ойлап Процессор жұмысының автоматты түрде жүруі, адамның араласуынсыз көптеген Қолданылған әдебиеттер тізімі «Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем», 2. А.С. Басманов «МП и 3. В.В. Сташин, А.В. Урусов «Программирование 4. «Микропроцессоры», Учебное пособие в 5-ти книгах, 5. «Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2002», Москва «ОЛМА-ПРЕСС» 6. Колесниченко О.В., Шишигин И.В. 12:45 1