Автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды

Вид материала

Лекция

Содержание Системный интерфейс Интерфейс (interface) Порт ввода-вывода Шириной шины Адресное пространство Микропроцессор (мп). 2.1. Структура микропроцессора Дешифратор операций Постоянное запоминающее устройство микропрограмм Узел формирования адреса Кодовые шины данных, адреса и инструкций (управления) Схема управления шиной и портами 2.2. Микропроцессоры фирмы Intel Тактовая частота, МГц Число элемен.

Подобный материал:

• Оценка состояния окружающей среды с помощью лишайников индикаторов, 72.82kb.
• Адаптация, процесс приспособления организма, популяции или сообщества к определённым, 250.56kb.
• Рабочая программа дисциплины ф тпу 1-21/01 министерство образования и науки, 385.69kb.
• Д г. м н., профессор, 2171.47kb.
• Тема : «Загрязнение и охрана окружающей среды», 38.66kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины «экологический мониторинг» По направлению подготовки, 182.06kb.
• Решение 10 сентября 2007 года №36 город Актау, 22.02kb.
• Справка о состоянии аварийности на морском флоте и мерах по повышению уровня безопасности, 271.06kb.
• Нормативно правовые документы по вопросам формирования государственных информационных, 281.26kb.
• Механическими свойствами, а также со свойствами различных материалов (железобетонных,, 46.12kb.

ТЕМА 5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ

ЛЕКЦИЯ 5.1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЧАСТИ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ЭВМ. МИКРОПРОЦЕССОР

1. СТРУКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Все современные ЭВМ используют микропроцессорную технику, которая характеризуется большой интеграцией электронных элементов на единицу площади. Одним из следствий применения микропроцессорной техники явилось появление персональных ЭВМ (или персональных компьютеров ПК).

Персональный компьютер - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Достоинствами ПК являются:

• малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
  
• автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
  
• гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
  
• "дружественность" операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
  
• высокая надежность работы (более 5 тыс. ч наработки на отказ).
  

В настоящее время можно выделить два типа ПЭВМ:

а) ПК, наследующие принципы, заложенные фирмой IBM (International Business Machine) в своем персональном компьютере IBM PC (1981 г.), - наличие базовой системы ввода-вывода (BIOS), определяющей принципы работы аппаратного обеспечения ПЭВМ, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), а операционная система (ОС) загружается с внешнего носителя;

б) Macintosh ПК, основной характеристикой которых является интеграция BIOS и ОС, и их хранение в ПЗУ;

В наши дни около 85% всех продаваемых ПК базируется на архитектуре IBM PC.

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому с помощью кабелей через специальные гнезда (разъемы) подключаются периферийные устройства: внешние устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на магнитных и оптических дисках, разъемы для периферийных устройств и платы расширения с контроллерами - адаптерами внешних устройств.

На системной плате (часто ее называют материнской платой Mother Board), как правило, размещаются:

• микропроцессор;
  
• математический сопроцессор;
  
• генератор тактовых импульсов;
  
• модули (микросхемы) внутренней памяти (ОЗУ и ПЗУ);
  
• контроллеры (адаптеры) клавиатуры, НЖМД и НГМД;
  
• контроллер прерываний;
  
• таймер и др.
  

Рассмотрим состав и назначение основных блоков IBM PC подобных ПК с шинной организацией (рис. 5.1).



Рис. 5.1. Структурная схема персонального компьютера


Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо, как вы уже знаете, каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд) или отсчет заданного промежутка времени. Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми устройствами (основная и внешняя память, периферийные устройства, о которых мы поговорим подробней позже) могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор Floating Point Unit – FPU широко используется для ускоренного выполнения операций над числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещенно во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру. От эффективности этого встроенного блока МП напрямую зависит скорость работы процессора со сложными приложениями (3-ёх мерная графика, мультимедиа).

Контроллер прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA) освобождает МП от прямого управления внешними устройствами (в первую очередь накопителями на магнитных дисках), что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между внешней и основной памятью осуществляется через регистры МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ними, минуя МП, без прерывания его работы.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.

Прерывание - временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.

Прерывания возникают при работе компьютера постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает).

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств или внутренних блоков МП (например, при переполнении разрядной сетки), определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы.

Контроллер прерываний является программируемым. Например, МП 80486 способен обрабатывать до 256 различных типов прерываний, причем первые 32 типа отведены для внутрисистемных целей и недоступны пользователю.

2. СИСТЕМНЫЙ ИНТЕРФЕЙС

Системная шина (системная магистраль или системный интерфейс). Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи отдельных устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Системная шина включает в себя:

• шину данных (ШД), содержащую провода (линии) и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов двоичного кода (машинного слова) операнда;
  
• шину адреса (ША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или кода адреса порта ввода-вывода внешнего устройства;
  
• шину управления (инструкций) (ШУ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи управляющих сигналов (импульсов) во все блоки машины (в частности управление обменом данных, передача запросов на прерывание и т.д.);
  
• шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
  

Порт ввода-вывода (I/O ≈ Input/Output port) – это пункт системного интерфейса, через который МП обменивается информацией с другим устройством ПК. Порты ввода-вывода – это абстрактное понятие. По аналогии с ячейками основной памяти их можно рассматривать как ячейки, через которые можно записать во внешнее устройство или, наоборот, прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера – адреса портов ввода-вывода. Ячейки памяти с этими адресами являются частью контроллера внешнего устройства, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.

Шириной шины называется количество линий, входящих в состав шины. Разрядность шины данных определяет разрядность машинного слова ПК; разрядность шины адреса - адресное пространство ПК.

Адресное пространство - это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

• шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств,
  
• локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.
  

Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в табл. 5.1.

Из шин расширений нужно отметить, во-первых, шину стандарта ISA (Industry Standard Architecture) с 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной шиной адреса. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство 16 Мбайт. Максимальная тактовая частота шины 8,33МГц, теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже около 5,3 Мбайт/с ввиду ряда особенностей ее использования.

Таблица 5.1.

Основные характеристики шин.

Параметр	ISA	EISA	MCA	VLB	PCI
Разрядность шины данных, бит Разрядность шины адреса, бит	16 24	32 32	32 32	32 32	32; 64 32
Рабочая частота, МГц	8	8	10-20	до 50	до 66
Теоретическая пропускная способность, Мбайт/с Практическая пропускная способность, Мбайт/с	16 5	33 8	76 20	160 80	264;528 100;260
Число подключаемых устройств, шт.	6	15	15	4	10

Во-вторых, 32-разрядную шину EISA (Extended ISA), созданную в 1988 г. Адресное пространство шины 4 Гбайта, пропускная способность на частоте 8,33МГц 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП - КЭШ - ОП определяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений (теоретически может подключаться до 15 устройств, практически - до 10).

Современные персональные компьютеры характеризуются:

• стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);
  
• появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики, мультимедийные приложения).
  

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей.

Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к внутренней шине МП и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и др,

Можно отметить несколько стандартов универсальных локальных шин: VLB, PCI, AGP.

Шина VLB (VESA Local Bus -локальная шина VESA) - разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA - Video Electronics Standards Association), поэтому часто ее называют шиной VESA.

Шина VLB, no существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером. Разрядность шины - 32 бита, Реальная скорость передачи данных по VLB - 80 Мбайт/с (теоретически достижимая на частоте 50 МГц – 160 Мбайт/с).

Недостатки шины:

• рассчитана на работу с МП 80386, 80486;
  
• максимальная частота 50 МГц;
  
• жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);
  
• малое количество подключаемых устройств - к шине VLB могут подключаться только четыре устройства (количество подключаемых устройств зависит от частоты);
  
• отсутствует арбитраж шины - могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.
  

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств) - разработана в 1992 г. фирмой Intel.

Шина PCI является намного более универсальной, чем VLB, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП, начиная с 80486; позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью анализа конфигурации (в соответствии со стандартом Plug&Play), имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных.

Разрядность PCI - 32 или 64 бита, теоретическая пропускная способность 528 Мбайт/с в 64-битовом варианте на частоте 66 МГц (реальная вдвое ниже).

Шина РСI хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс шины расширения, например PCI to ISA Bridge ).

Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 5.2.




Рис. 5.2. Конфигурация ПК с шиной PCI


Шина AGP (Accelerated Graphics Port) предназначена исключительно для подключения видеоадаптеров непосредственно (минуя системную шину) к основной памяти. Пиковая пропускная способность шины 1066 Мбайт/с (в режиме четырёхкратного умножения AGP/×4). Здесь преследовалась та цель, чтобы видеокарты могли хранить необходимые им параметры трехмерных объектов (текстуры, альфа-канал, Z-буфер), требующие быстрого доступа со стороны видеоадаптера не только в своей собственной дорогой видеопамяти, но и в более дешевой основной памяти компьютера.

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). После получения команды ввода/вывода от МП контроллер функционирует автономно, освобождая МП от выполнения специфических функций, требуемых для того или другого конкретного внешнего устройства.

Контроллер устройства ввода/вывода содержит аппаратуру сопряжения и обычно два регистра памяти (порты ввода/вывода): регистр данных – для обмена данными и регистр состояния – для обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.

Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления (например, для шины PCI используется контроллер Host Bridge, включенный между МП и шиной, освобождающий процессор от управления обменом данными с другими компонентами системы).

Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов

3. МИКРОПРОЦЕССОР (МП).

Микропроцессор, иначе, центральный процессор - Central Processing Unit (CPU) - это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех устройств и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. Выполняется, как правило, в виде одной сверхбольшой интегральной схемы (СБИС), на одном кристалле.

Для МП на СБИС характерны:

• простота производства (по единой технологии);
  
• низкая стоимость (при массовом производстве);
  
• малые габариты (пластина площадью несколько квадратных сантиметров);
  
• высокая надежность;
  
• малое потребление энергии.
  

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) - МП 4004. В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные.

Все микропроцессоры можно разделить на 2 группы:

• МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд переменной длины;
  
• МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд фиксированной длины, используемые в основном в сетевых серверах.
  

2.1. Структура микропроцессора

Функционально МП состоит из двух частей:

• операционной, содержащей устройство управления, арифметико-логическое устройство и микропроцессорную (МПП) или регистровую память (за исключением нескольких адресных регистров);
  
• интерфейсной, которая реализует сопряжение и связь микропроцессора с другими устройствами ПК и включает в себя внутренний интерфейс МП, адресные регистры МПП, блок регистров команд, схемы управления системной шиной и портами ввода-вывода (ПВВ).
  

Работают обе части параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) производится во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Современные микропроцессоры имеют несколько групп регистров в операционной части, работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме. Такая организация МП дает возможность значительно повысить его эффективное быстродействие.

Устройство управления. Упрощенная функциональная схема УУ показана на рис. 5.3. Здесь представлены:



Рис. 5.3. Упрощенная функциональная схема устройства управления


Регистр команд, в котором хранится код выполняемой команды. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.

Дешифратор операций - логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.

Постоянное запоминающее устройство микропрограмм - хранит в своих ячейках управляющие сигналы, необходимые для выполнения в АЛУ операций обработки информации. Импульс, поступающий с соответствующего коду операции выхода дешифратора, считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.

Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) - устройство, вычисляющее полный (физический) адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП.

Кодовые шины данных, адреса и инструкций (управления) - часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора.

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Схему АЛУ мы рассматривали в прошлой лекции (рис. 4.11). Можно только добавить, что регистры получают операнды и возвращают результат операции через шину данных, а управляющие сигналы в схемы управления поступают по шине инструкций.

АЛУ выполняет арифметические операции (+, -, *,:) только над числами в формате с фиксированной запятой, т.е. только над целыми двоичными числами.

Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется с привлечением математического сопроцессора, имеющего собственные регистры данных и управления.

Микропроцессорная память – это память небольшой емкости на регистрах чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т.е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами - тысячными долями микросекунды).

Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях и обеспечивает высокое быстродействие ПК.

Интерфейсная часть микропроцессора предназначена для связи и согласования МП с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.

Интерфейсная часть включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную шину МП и схемы управления шиной и портами ввода-вывода.

Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:

• формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на прием или передачу и др.);
  
• прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
  
• организацию сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и МП.
  

Схема управления шиной и портами использует для связи с портами системную шину: при доступе к порту МП посылает сигнал по ШУ, который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на ША является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по ШД осуществляется обмен данными.

2.2. Микропроцессоры фирмы Intel

Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП фирмы Intel типа CISC, характеристики наиболее распространенных приведены в таблице 5.2.


Таблица 5.2.

Характеристики наиболее распространенных МП Intel

Модель МП	Разрядность, бит		Тактовая частота, МГц	Адресное простр-во, байт	Размер внутр. КЭШа байт	Число команд	Число элемен.	Техн. нормы мкм	Год вып.
	Данных	Адреса
4004	4	4	4,77	212≈4 Кб		45	2300		1971
8080	8	8	4,77	216≈64 К			10000		1974
8086	16	20	4,77 и 8	220≈1 Мб		134	70000		1980
8088	8, 16	20	4,77 и 8	220≈1 Мб		134	70000		1981
80186	16	20	8 и 10	220≈1 Мб			140000		1982
80286	16	24	6-20	224≈16 Мб (виртуальное 1 Гб)			180000		1984
80386	32	32	12,5-40	232≈4 Гб (виртуальное 64 Гб)	16	240	275000		1985
80486	32	32	20-100	232≈4 Гб (виртуальное 64 Гб)	8-16 Кб	240+6	1,2×106	0,8	1989
Pentium	64	32	60-66	232≈4 Гб (виртуальное 64 Гб)	8+8 Кб	240	3,1×106	0,8	1993
			75-120				3,3×106	0,6	1994
			120-200					0,35	1995
Pentium Pro	64	32	133-200	232≈4 Гб	16+256-512 Кб	240	5,5×106+ 15,5×106	0,35	1995
Pentium MMX	64	32	166-233	232≈4 Гб (виртуальное 64 Гб)	16+16-Кб	240+57	4,5×106	0,35	1997
			233-266				5,5×106 Tillamook	0,25
Pentium II	64	32	233-300	232≈4 Гб (виртуальное 64 Гб)	16+16-Кб	240+57	7,5×106 Klamath	0,35	1997
			266-450				7,5×106 Deschutes	0,25	1998
Pentium III	64	32	450-600	232≈4 Гб (виртуальное 64 Гб)	16+16-Кб	240+70	Katmai	0,25	1999
			500-1200		32+256 Кб		9,5×106 Coppermine	0,18	1999
Pentium IV	64	32	1300-1900	232≈4 Гб (виртуальное 64 Гб)	16+256 Кб	240+70+ 144	42×106 Willamette	0,18-	2000
			2000-2533					0,13	2001

Примечание: Число элементов - это количество элементарных полупроводниковых элементов, размешенное в интегральной схеме МП. У Pentium Pro двухкристальный корпус: процессорный кристалл и кристалл КЭШ- памяти 2-го уровня.

Отметим некоторые характеристики современных МП:

• начиная с МП 80286 предусматривается возможность работы в вычислительной сети;
  
• начиная с МП 80286 микропроцессоры могут работать в двух режимах: реальном (Real mode) и защищенном (Protected mode).
  

В реальном режиме имитируется (эмулируется) однозадачная работа МП 8086. В защищенном режиме возможна многозадачная работа с непосредственным доступом к расширенной памяти(>1Мб) и с защитой памяти, отведенной задачам, от посторонних обращений. Многозадачность (многопрограммность) – это способ организации работы ЭВМ, когда в её памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач.

• Начиная с МП 80386, обеспечивается поддержка режима виртуальных машин (Virtual mode, Enhanced mode, virtual - кажущийся, воображаемый), т.е. такого режима многозадачной работы, при котором в одном МП моделируется как бы несколько компьютеров, работающих параллельно и имеющих разные операционные системы (у 80386 до 256 МП 8086);
  
• начиная с МП 80386 микропроцессоры имеют встроенную сверхбыструю КЭШ-память для буферизации часто используемых команд и данных (вначале 16 байт), что сокращает число обращений к внешней памяти;
  
• начиная 80486DX2, микропроцессоры могут работать с умножением тактовой частоты. Например, у МП 80486DX2 внутренняя частота в 2 раза, а у МП 80486DX4 - в 4 раза выше тактовой. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы МП, все внешние по отношению к МП схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работают с обычной частотой тактового генератора;
  
• начиная с МП 80486, используется конвейерное выполнение команд.
  

Под конвейером понимается такой метод обработки команд, когда исполнение команды разбивается на несколько ступеней (stages) и каждой ступени соответствует свой операционный блок в аппаратно логической структуре процессора, специализированный на выполнении строго определенной части команды. Например, у 80486, как и у Pentium конвейер состоит из 5 ступеней, а у Pentium IV – из 20. При этом когда i-тый блок выполняет i–ую ступень j–ой команды, (i-1)-ый блок выполняет (i-1)–ую ступень (j+1)–ой команды, а (i+1)–ый блок выполняет (i+1)–ую ступень (j-1)–ой команды. В результате образуется своего рода конвейер выполнения команд, что увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2-3 раза.

• Начиная с Pentium, процессоры являются суперскалярными устройствами, которые могут выполнять на своих нескольких (вначале двух) конвейерах несколько команд одновременно (параллельно) т.е. производить параллельные вычисления (в отличие от ранних скалярных моделей процессоров, которые могли в каждый момент времени выполнять только одну команду).
  

При этом на разных конвейерах осуществляется одновременное выполнение разных ступеней (тактов) последовательных команд при непосредственной передаче результатов с одного конвейера в другой. Для распределения потока команд по узлам обработки требуется существенное усложнение УУ. На данный момент самые передовые процессоры имеют 9 конвейеров (Atlon K7), при этом управляющая логика занимает слишком много места на кристалле.

Однако практически из-за сложности задачи распределения потока последовательных команд на параллельные конвейеры, процессор, теоретически выполняющий 4 простейшие команды одновременно, реально в среднем выполняет менее двух.

• Начиная с Pentium появляется предсказание переходов. Для этого в МП имеется буфер адресов перехода (Branch Target Buffer, BTB), в который в соответствие с предсказанием направления ветвления программы заранее считываются команды из ячеек памяти с соответствующими адресами.
  

Поясним это. Согласно статистике переходы (команды условной и безусловной передачи управления) встречаются в среднем через каждые 6 команд. Условные переходы снижают общую производительность процессора, так как в ожидании этого перехода конвейер работает в холостую. Путем применения специальных алгоритмов предсказания переходов удается с той или иной точностью предсказать следующий переход, согласно которому и ведутся дальнейшие вычисления, чтобы конвейер не простаивал, а потом, после осуществления перехода, выдаются уже готовые (или не совсем готовые, но уже прошедшие некоторый путь по конвейеру результаты). При этом за счет оптимизации загрузки вычислительных конвейеров производительность работы процессора значительно повышается.

Микропроцессоры 80586 (Р5) более известны по их товарной марке Pentium имеют пятиступенную двух конвейерную структуру; специализированные конвейерные аппаратные блоки сложения, умножения и деления, значительно ускоряющие выполнение операций с плавающей запятой; встроенную КЭШ-память отдельно для команд, отдельно для данных. Pentium 2-го поколения работают с умножением тактовой частоты 66 МГц. По эффективному быстродействию они уже приблизились к RISC МП, выполняющим каждую команду как бы за один такт. Pentium имеют 32-разрядную адресную шину и 64-разрядную шину данных. Обмен данными с памятью может выполняться со скоростью 528 Мбайт/с.

• Начиная с Pentium Pro, поддерживается многопроцессорная конфигурация (у Pentium Pro до 4-ёх, у МП Pentium II - 2, а в серверной версии Pentium III Xeon до 8-ми).
  

В феврале 1995 г. прошли презентацию и выпущены МП 80686 (Р6), торговая марка Pentium Pro. Благодаря новым схемотехническим решениям они обеспечивают для ПК более высокую производительность. Часть этих новшеств может быть объединена понятием динамическое исполнение (dynamic execution), что в первую очередь означает наличие 14-ступенной 3-ёх конвейерной структуры, предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (branch prediction) и исполнение команд по предполагаемому пути ветвления (speculative execution). В процессоре Pentium Pro вероятность правильного предсказания 90% против 80% у МП Pentium.

КЭШ-память емкостью 256-512 Кбайт - обязательный атрибут высокопроизводительных систем. Однако у Pentium встроенная КЭШ-память (Internal Cache, L1 Cache, КЭШ память 1-го уровня) имеет небольшую емкость (16 Кбайт), а основная ее часть находится вне процессора на материнской плате (External Cache, L2 Cache, КЭШ память 2-го уровня). Поэтому обмен данными с ней происходит не на внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, которая обычно в 2-3 раза ниже, что снижает общее быстродействие компьютера. В МП Pentium Pro вся КЭШ-память емкостью 256-512 Кбайт (как 1-го так и 2-го уровня) находится в самом микропроцессоре.

Необходимо отметить также технологию MMX (MultiMedia Extension – мультимедийные расширения). Появившиеся в январе 1997 г. процессоры Pentium MMX имеют 6-ступенчатый конвейер и 57 дополнительных команд, ускоряющих обработку мультимедийных данных. Данные мультимедиа, разрядность которых равна 8, упаковываются в одно 64-разрядное слово и над ним производится некоторое общее действие. Эта методика называется SIMD (Single Instruction – Multiple Data – одна команда с многочисленными данными) и ориентирована на алгоритмы и типы данных, характерные для мультимедиа-приложений.

МП Pentium II сочетает в своей архитектуре технологии Pentium Pro и поддержку новых инструкций MMX. КЭШ-память 2-го уровня имеет размер 512 Кбайт, и хотя не интегрирована в ядро МП, как у Pentium Pro, но расположена на картридже процессора, имеет отдельную (выделенную) 64-разрядную шину и работает на половине частоты процессора, что обеспечило существенное увеличение производительности. Тактовая частота также увеличилась до 100 МГц. Впервые осуществлена поддержка слота AGP (Accelerated Graphics Port). Pentium II Xeon может иметь КЭШ-память 2-го уровня объемом до 2 Мб, работающую на полной частоте процессора (500 МГц), а также, благодаря архитектуре Extended Server Memory, позволяет адресоваться к памяти объемом > 64Гб.

МП Pentium III имел вначале такие же принципы организации КЭШ-памяти 2-го уровня, но более современную технологию SSE – Streaming SIMD Extension (70 новых команд плюс дополнительный конвейер для их обработки). 70 инструкций SSE оперируют со специальными 128-битными регистрами. Каждый из них хранит 4 вещественных числа одинарной точности. Выполняя операцию над двумя регистрами, команда SSE оперирует 4-мя парами чисел, т.е. выполняет 4 обычные операции одновременно. Таким образом, в МП Pentium III появился блок подобный MMX, но оперирующий с вещественными числами. Это решение улучшает производительность процессора при работе с трехмерными графикой и видеоизображениями, использующих вычисления с плавающей точкой. Например, при обработке видеоформата MPEG-1 превосходство над процессором Pentium II составляет 50%.

Усовершенствованный Pentium III на ядре Coppermine имеет КЭШ-памяти 2-го уровня меньшего объема (256 Кбайт), но интегрированную в процессор и работающую на его частоте. Кроме того, применения 256-разрядная шины КЭШ-процессор. Все это увеличило скорость передачу данных по этой шине для процессора с частотой 1 ГГц до 16 Гбайт/с.

Тактовая частота также увеличилась до 133 МГц. Существует также серверная версия Pentium III Xeon.

В ноябре 2000 г. прошла презентация МП Pentium IV, c микро-архитектурой NetBurst. В ней используется новая гиперконвейерная технология исполнения команд (Hyper Pipeline) с числом ступеней конвейера – 20, новая технология динамического исполнения команд (Advanced Dynamic Execution), под которой понимается улучшенная версия механизма суперскалярного внеочередного выполнения инструкций, когда процессор переставляет команды, нарушая их естественную последовательность, с целью более плотной загрузки конвейеров. Улучшенные схемы предсказания переходов повысили точность предсказания до 95%.

Блок целочисленных операций (Arithmetic Logic Units, ALU) работает на удвоенной частоте процессора (на самом деле частота та же, просто этот блок умеет выполнять вычисления за полтакта), а так как этих блоков два, то за один такт процессор может выполнять до 4-ех операций с числами в формате с фиксированной точкой.

Pentium IV имеет также новый набор SIMD команд SSE2, который дополнен 144 новыми командами, в их числе 128-разрядные команды для вычислений с числами с фиксированной и плавающей точкой.

Помимо КЭШ-памяти данных 1-го уровня (8 Кб) Pentium IV имеет КЭШ-память команд 1-го уровня (8 Кб) с отслеживанием выполнения (Execution Trace Cache), которая хранит до 12000 декодированных микрокоманд в порядке их выполнения. Это увеличивает быстродействие за счет устранения дешифратора из цикла выполнения машинных команд. КЭШ-память 2-го уровня с улучшенной передачей данных (Advanced Transfer Cache) объемом 256 Кб, обеспечивает скорость передачи данных для процессора с частотой 1,5 ГГц 48 Гбайт/с.

Применена новая системная шина, работающая с тактовой частотой 100 МГц, но за счет того, что за такт передается 4 пакета данных, результирующая частота составляет 400 МГц. Скорость передачи данных между процессором и памятью достигает 3,2 Гбайт/с.