3.5. Типы данных микропроцессора

Понятие типа данных носит двойственный характер. С точки зрения размерности МП аппаратно поддерживает следующие основные типы данных представленных на рис. 29.

Рис 29. Основные типы данных микропроцессора

Байт – восемь последовательно расположенных битов, пронумерованных от 0 до 7, при этом бит 0 является самым младшим значащим битом.

Слово – последовательность из двух байтов, имеющих последовательные адреса. Размер слова – 16 битов; биты в слове нумеруются от 0 до 15 байт, содержащий нулевой бит, называется младшим байтом, а байт, содержащий 15-й бит – старшим байтом.

Двойное слово – последовательность из четырех байтов (32 бита), расположенных по последовательным адресам. Нумерация этих битов производится от 0 до 31. Слово, содержащее нулевой бит, называется младшим словом, а слово, содержащее 31-й бит, – старшим словом.

Учетверенное слово – последовательность из восьми байт (64 бита), расположенных по последовательным адресам. Нумерация битов производится от 0 до 63.

4. Микропроцессоры с архитектурой х86

4.1. Микропроцессор Pentium

Первое семейство микропроцессоров Pentium компании Intel включает в себя процессоры, работающие на тактовых частотах от 60 до 200 МГц.

Структура микропроцессора Pentium изображена на рис. 30.

Процессоры работавшие на частотах 60 и 66 МГц, изготовлялись по технологии БиКМОП (логика, включающая биполярные структуры основанные на комплементарной металл-окисел-полупроводнике) 0,8 мкм с напряжением 5 В и содержали 3,1 млн. транзисторов. При производстве процессоров Pentium с частотами 90 и 100 МГц, включающих 3,3 млн. транзисторов, использовалась технология БиКМОП 0,6 мкм и напряжение питания 3,3 В. Начиная с Pentium 120 МГц, производство осуществлялось по технологии КМОП 0,35 мкм, а напряжение питания было снижено до 2,8 В.

Рис 30. Структура микропроцессора Pentium

В отличие от предыдущих микропроцессоров с системой команд х86, процессоры семейства Pentium обладали целым рядом технических новшеств, к числу которых относятся: близкая к суперскалярной архитектура; раздельные типы кэш-памяти команд и данных; предсказание переходов; высокопроизводительные операции с плавающей точкой; усовершенствованная 64-разрядная шина данных; средства обеспечения целостности данных; SL-технология со средствами управления энергопотреблением; поддержка многопроцессорности; мониторинг производительности; поддержка различных размеров страницы памяти.

Типы кэш-памяти команд и данных. Каждая кэш-память процессора Pentium имеет размер 8 Кбайт. Типы кэш-памяти являются множественно-ассоциативными. Поиск требуемой информации выполняется в стандартных 32-байтовых строках.

Буфер трансляции адресов (TLB) преобразует адрес ячейки внешней памяти в соответствующий адрес данных в кэш-памяти.

Кэш-память данных процессора Pentium использует метод «обратной записи» (write-back). Метод обратной записи позволяет модифицировать данные без обращения к оперативной памяти (данные записываются в оперативную память только при удалении из кэш). Метод обратной записи повышает производительность, уменьшая нагрузку на шину интерфейса с памятью.

Предсказание переходов. Процессор Pentium – первый х86-совместимый микропроцессор, использующий данную технологию, которая ранее применялась только в больших ЭВМ и RISC-процессорах.

Процессор Pentium выполняет упреждающую обработку переходов, используя буфер адресов переходов ВТВ (Branch Target Buffer) и два буфера предварительной выборки. Один буфер применяется для предварительной выборки команды в предположении, что перехода нет, другой выполняет предвыборку инструкций в буфер, используя содержимое ВТВ которое запоминается при первом выполнении перехода.

Алгоритм упреждающей обработки переходов процессора Pentium не только прогнозирует выбор простых ветвей, но поддерживает и более сложное прогнозирование (например, во вложенных циклах). Это делается с помощью хранения в буфере ВТВ нескольких адресов переходов. ВТВ хранит до 256 результатов переходов, что позволяет выполнять правильное предсказание с вероятностью не менее 0,8.

Блок операций с плавающей точкой. В процессоре Pentium применяется блок вычислений с плавающей точкой, использующий сложные восьмиступенчатые конвейеры и внутренние функции. Большинство команд с плавающей точкой начинают выполняться в одном из целочисленных конвейеров, а затем передаются на конвейеры с плавающей точкой. Кроме тоги, обычные функции с плавающей точкой (такие как сложение, умножение и деление) для более быстрого выполнения реализованы как внутренние функции.

Усовершенствованная 64-разрядная шина данных. Благодаря 64-разрядной шине данных процессор Pentium может обмениваться данными с памятью со скоростью 528 Мбайт/с. Помимо расширения шины данных, для увеличения ее пропускной способности процессор Pentium реализует конвейеризацию циклов шины, что позволяет начать второй цикл шины еще до завершения первого.

Увеличению пропускной способности и надежности системы способствуют реализованная в Pentium поддержка пакетного чтения и записи, проверка четности адреса и данных.

Для повышения скорости выполнения последовательных операций записи в память процессор Pentium использует два буфера записи (по одному на каждый конвейер), благодаря которым процессор может выполнять следующие команды, в случае если результат одной из текущих команд еще не записан в память из-за занятости шины.

Средства обеспечения целостности данных. Для внутреннего обнаружения ошибок используются биты четности внутренних буферов процессора. Для приложений, особо критичных к достоверности результата, может быть использовано средство функциональной избыточности FRC (Functional Redundancy Checking). FRC требует использования двух микропроцессоров Pentium – основного и проверяющего. В таком тандеме микропроцессоры выполняют одни и те же вычисления параллельно. Один микропроцессор сравнивает свои результаты с результатами второго микропроцессора. В случае их расхождения в системе генерируется прерывание.

Управление энергопотреблением. Средства энергосбережения работают на двух уровнях: на уровне микропроцессора и на уровне системы. Управление энергопотреблением предусматривает при выполнении задач, не требующих выполнения интенсивных вычислений (например, в процессе редактирования текстов), перевод процессора в режим с пониженной тактовой частотой и пониженным потреблением питания. Возможна даже полная остановка процессора («спящий» режим – SL). В энергосберегающем режиме микропроцессор может замедлять, приостанавливать или полностью прекращать работу отдельных системных компонентов, минимизируя потребление электроэнергии.