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