Реферат: Обзор процессоров и шин ПВМ начиная с 386 машин

 ║                  ║   ║вод     │вывод   ║ ║  │         ­   └──────╢

 ║                  ║   ╟────────┴────────╢ ║  │       ┌─────┐      ║

 ╚═╤════════════════╝   ║   Глобальный    ║ ║  └──────_│Буфер│      ║

   │    ‑    ‑    ‑     ║   (системный)   ║ ║          └─┬───┘      ║

   │    │    │    │     ║   ввод-вывод    ║ ║            │          ║       ║

   │    │    │    │     ╚═╤═══════════════╝ ╚════════════╪══════════╝

   │    │    │    │       │   ‑    ‑    ‑                │

   │    │    │    │       │   │    │    │                │

   │а   │б   │в   │г      │а  │б   │в   │г               │

   │    │    │    │       │   │    │    │                │

   ­    ­    │    │       ­   ­    │    │                ­

  _══════════╧════╧════════════════╧════╧══════════════════════════_

                             Шина                Рис. 7

    Буквами обозначено:  а - Подтверждение; б - Данные; в - Ад-

                         рес; г - Команда;

                                - 35 -

        Ведомые выполняют лишь функции получателей в процессе  реа-

     лизации запросов на передачу данных. Ведомые декодируют состо-

     яние адресных линий и действуют в соответствии с сигналами уп-

     равления  от ведущих.  На рис.  7 изображены примеры ведущих и

     ведомых на магистрали MULTIBUS.

                          5.3 Операции на магистрали

        Система MULTIBUS  допускает  наличие  нескольких ведущих на

     магистрали, каждый из которых захватывает магистраль  по  мере

     возникновения необходимости  в  передаче данных.  Ведущие осу-

     ществляют захват магистрали с помощью  специальной  последова-

     тельности обмена. В эту последовательность входят шесть сигна-

     лов, позволяющих ведущему определять,  свободна ли  магистраль

     и нет ли запросов на ее захват от других ведущих с более высо-

     ким приоритетом, а также захватывать и освобождать магистраль.

        Арбитраж приоритетов. Система предусматривает две схемы ар-

     битража приоритетов: последовательную и параллельную. В после-

     довательной схеме  приоритет  ведущего  определяется с помощью

     последовательной цепочки, в которой выход разрешения от каждо-

     го модуля  соединяется с входом разрешения модуля с более низ-

     ким приоритетом.  На одном конце цепочки оказывается модуль  с

     наивысшим приоритетом, на другом конце - с наинизшим.

        Приоритет в последовательной схеме определяется при  каждом

     запросе магистрали. Если магистраль не захвачена ведущим с бо-

     лее высоким или равным приоритетом,  запрос  данного  ведущего

     удовлетворяется. Число ведущих,  обьединенных последовательной

     цепочкой, ограничено временем прохождения по  цепочке  сигнала

                                - 36 -

     приоритета, которое не должно превышать длительности цикла ма-

     гистрали. Если используется частота 10 МГц,  в  цепочке  может

     быть не более трех ведущих.

        В параллельной схеме доступом к магистрали ведает специаль-

     ный арбитр.  При  этом  определение очередного ведущего на ма-

     гистрали производится на основе списка фиксированных приорите-

     тов или каким-то другим способом, заданны в системе. На рис. 6

     показана одна из схем параллельного арбитража.

                      5.4  Архитектура магистрали

        В магистраль MULTIBUS входят 16 линий данных,  20  адресных

     линий, 8 линий многоуровневых прерываний, а также линии управ-

     ления и арбитража.  Такое большое количество  линий  позволяет

     одновременно использовать  в системе и 8- и 16-разрядные веду-

     щие модули.

        Система MULTIBUS использует собственный тактовый генератор,

     независимый от тактовых генераторов обьединяемых модулей.  На-

     личие независимого  генератора  позволяет использовать магист-

     раль ведущими с различными тактовыми частотами, причем они мо-

     гут выходить на магистраль асинхронно по отношению друг к дру-

     гу.

                                - 37 -

                                                         Рис.8

                     ┌──────────┐

                ┌────┼───┐      │ Выходы для других

                │    │   │      │  ведущих

                │    │  ┌┴┴┴┴┴┴┴┴┐

                │    │  ├12345678│

                │    │  ├────────┤  Арбитр

                │    │  │        │  магистрали

                │    │  │12345678│

                │    │  └┬┬┬┬┬┬┬┬┘ Выходы для других

┌─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─│ ─ ─│ ─ │─ ─ ─ ┘   ведущих

│               │    │  ┌┘ └─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ── ─ ─┐

                └────┼──────────────────────────┬──────────────────────┐

│┌─────────────────┐ │  │   ┌─────────────────┐   │ ┌─────────────────┐│

 │ Ведущий         │ │      │ Ведущий         │ │   │Ведущий          ││

└┤ Вход разрешения │ │  └─ ─┤ Вход разрешения │ │ └─┤Вход разрешения  ││

 │ приоритета      │ │      │ приоритета      │ │   │приоритета       ││

 │       Запрос    ├─┘      │       Запрос    ├─┘   │      Запрос     ├┘

 │       магистрали│        │       магистрали│     │      магистрали │

 └─────────────────┘        └─────────────────┘     └─────────────────┘

    Приоритет 8                 Приоритет 1            Промежуточный

     (низший)                    (высший)                приоритет

                                                       (между 1 и 8)

     Принципы арбитража  в системе MULTIBUS позволяют медленным ве-

     дущим равноправно конкурировать за захват  магистрали.  Однако

                                - 38 -

     после того,  как модуль захватил магистраль, скорость передачи

     определяется возможностями передающего и принимающего модулей.

        Основное назначение магистрали MULTIBUS в обеспечении кана-

     ла для передачи данных между модулями,  подключенными к  шине.

     Система позволяет использовать платы с различными возможностя-

     ми, изменять ширину шин данных и адресов  ввода-вывода,  уста-

     навливать атрибуты прерываний.

        Для реализации  мультипроцессорных  возможностей   системы,

     построенной на основе МП 80386, и для увеличения ее производи-

     тельности разработана магистраль MULTIBUS II. В новую архитек-

     туру  включена  передача  сообщений,  способствующая повышению

     производительности мультипроцессорной системы. При использова-

     нии передачи сообщений все пересылки по магистрали выполняются

     с максимально возможной скоростью пакетами  32-разрядных  дан-

     ных.

         В дополнение к передаче сообщений модули платы MULTIBUS II

     обеспечивают виртуальные прерывания,  географическую адресацию

     и распределенный арбитраж.  При наличии виртуальных прерываний

     один процессор может выполнять запись в специальные ячейки па-

     мяти другого процессора,  что  почти неограничено  увеличивает

     гибкость механизма прерываний.

        Географическая адресация,  реализуемая с помощью  смонтиро-

     ванных на плате регистров межкомпонентных соединений,  обеспе-

     чивает пространство межкомпонентных соединений для программных

     конфигураций  законченных  комплексных систем.  Распределенный

     арбитраж предоставляет модулям MULTIBUS II  столько  отдельных

     уровней арбитража, сколько в системе имеется плат (или гнезд).

     В этом случае все платы в системе имеют  одинаковый  приоритет

                                - 39 -

     относительно  времени доступа к магистрали,  что предотвращает

     блокирование плат с низким приоритетом ведущими платами  высо-

     кой производительности.

        Ключевым вопросом при построении систем на основе магистра-

     ли MULTIBUS является нахождение оптимального соотношения между

     требуемыми и фактическими характеристиками.  Для каждого  эле-

     мента характерно  индивидуальное множество присущих ему харак-

     теристик. Взаимодействие двух таких  элементов  ограничивается

     множеством характеристик, которое определяется как пересечение

     множеств характеристик обоих элементов.  В  некоторых  случаях

     пересечение может  быть пустым,  что приводит к принципиальной

     неработоспособности системы.

                       6.1 Процессоры выше 80386.

        Основными процессорами,  на  которых  собиратеся  подавляю-

     щее большинство современных компьютеров,  являются 2 процессоры

      2фирмы Intel типа 486 (SX, DX, DX2, OverDrive) и Pentium. 0 Сис-

     темные платы на процессорах 386SX  и  386  DX  применяются  в

     очень небольшом  количестве в самых недорогих системах,  а на

     286 процессоре не выпускаются вообще. Фирма Intel в настоящее

     время производит  следующие  типы процессоров семейства 486 и

     Pentium:

        - 486SX-25, 486SX-33, 486SX2-50;

        - 486DX-33, 486DX2-50, 486DX-50, 486DX2-66;

        - 486DX4-75, 486DX4-100;

        - Pentium 60, Pentium 90, Pentium 100.

        Все процессоры семейства 486 имеют 32-разрядную архитекту-

                                - 40 -

     ру, внутреннюю кэш-память 8 КВ со сквозной записью (у  DX4  -

     16 КВ).  Модели SX не имеют встроенного сопроцессора.  Модели

     DX2 реализуют механизм внутреннего удвоения  частоты  (напри-

     мер, процессор  486DX2-66  устанавливается на 33-мегагерцовую

     системную плату),  что позволяет поднять быстродействие прак-

     тически в  два раза,  так как эффективность кэширования внут-

     ренней кэш-памяти составляет почти 90  процентов.  Процессоры

     семейства DX4  - 486DX4-75 и 486DX4-100 предназначены для ус-

     тановки на 25-ти и 33-мегагерцовые платы.  По  производитель-

     ности они занимают нишу между DX2-66 и Pentium-60/66,  причем

     быстродействие компьютеров на 486DX4-100 вплотную приближает-

     ся к  показателям  Pentium 60.  Напряжение питания составляет

     3,3 вольта,  то есть их нельзя устанавливать на обычные  сис-

     темные платы.  Процессор  486DX4-75 предназначен прежде всего

     для использования к компьютерам типа Notebook, а 486DX4-100 -

     в настольных системах.  К сожалению,  Intel ограничивает пос-

     тавки процессоров 486DX4-100,  а цены на них установил на су-

     щественно более высоком уровне,  чем на Pentium 60, чтобы из-

     бежать конкуренции между собственными продуктами.  По  мнению

     Intel, когда  начнутся  массовые  поставки  этих  процессоров

     (первый квартал 1995 года), их стандартным применением станут

     уже только системы самого начального уровня.

         2Процессор Pentium 0 является одним из самых мощных в настоя-

     щее время.  Он  относится  к процессорам с полным набором ко-

     манд, хотя его ядро имеет риск-архитектуру.  Это 64-разрядный

     суперскалярный процессор  (то  есть выполняет более одной ко-

     манды за цикл),  имеет 16 КВ внутренней кэш-памяти - по 8  КВ

     отдельно для данных и команд,  встроенный сопроцессор. В нас-

                                - 41 -

     тоящее время наиболее широко выпускается процессор на 60  MHz

     _уд по всему, именно этот процессор выбран фирмой Intel в ка-

     честве основного на конец текущего и начало 1995 годка, кото-

     рый должен прийти на смену семейству 486. Процессор на 66 MHz

     выпускается в незначительных количествах,  начат выпуск моде-

     лей на 90 и 100 MHz.

         2Несколько слов о процессорах семейства OverDrive. 0 В основ-

     ном это процессоры с внутренним удвоением частоты, предназна-

     ченные для замены процессоров SX. Что касается широко разрек-

     ламированного в  свое  время  процессора  OverDrive на основе

     Pentium (так называемый P24T или Pentium SX),  то  сроки  его

     выпуска неоднократно срывались. Сейчас начало выпуска перене-

     сено на последнюю  четверть  текущего  года.  Хотя  на  рынке

     представлено очень много системных плат,  предназначенных для

     установки кроме 486 процессоров и процессора Р24Т,  использо-

     вать его  на  этих платах скорее всего будет нельзя,  так как

     никакого тестирования плат с этим процессором изготовители не

     проводят ввиду его отсутствия, а ориентируются при изготовле-

     нии только  на  опубликованную  фирмой  Intel   спецификацию.

     Представители фирмы  Intel  заявили  недавно,  что существуют

     серьезные сомнения в работоспособности большинства этих  плат

     в связи с недостаточной проработкой вопрсово, связанных с пе-

     регревом процессоров.

        Поскольку при  работе с существующим программным обеспече-

     нием процессоры Pentium не  достигают  максимального  быстро-

     действия, фирма  Intel  для  оценки  производительности своих

     процессоров предложила специальный индекс - iCOMP (Intel COm-

     parative Microprocessor Performance),  который, по ее мнению,

                                - 42 -

     более точно отражает возрастание производительности при пере-

     ходе к  новому поколению процессоров (некоторые из выпущенных

     уже моделей компьютеров на основе Pentium при выполнении  оп-

     ределенных программ  демонстрируют  даже  меньшее быстродейс-

     твие, чем компьютеры на основе 486DX2-66,  это связано как  с

     недостатками конкретных системных плат, так и с неоптимизиро-

     ванностью программных кодов).  Производительность  процессора

     486SX-25 принимается  за 100.  Производительность других про-

     цессоров, которые  останутся  в  ближайшей   производственной

     программе фирмы Intel, представлена в следующей таблице:

                                                      1Таблица 0 1

       ┌──────────────────────────┬──────────────────────────┐

       │                          │                          │

       │         МОДЕЛЬ           │      ИНДЕКС iCOMP        │

       ╞══════════════════════════╪══════════════════════════╡

       │       486SX2-50          │           180            │

       ├──────────────────────────┼──────────────────────────┤

       │       486DX2-50          │           231            │

       ├──────────────────────────┼──────────────────────────┤

       │       486DX2-66          │           297            │

       ├──────────────────────────┼──────────────────────────┤

       │       486DX4-75          │           319            │

       ├──────────────────────────┼──────────────────────────┤

       │       486DX4-100         │           435            │

       ├──────────────────────────┼──────────────────────────┤

       │       Pentium-60         │           510            │

       └──────────────────────────┴──────────────────────────┘

                                - 43 -

     (продолжение таблицы 1)

       ┌──────────────────────────┬──────────────────────────┐

       │       Pentium-66         │           567            │

       ├──────────────────────────┼──────────────────────────┤

       │       Pentium-90         │           735            │

       ├──────────────────────────┼──────────────────────────┤

       │       Pentium-100        │           815            │

       └──────────────────────────┴──────────────────────────┘

        Более того, именно величина производительности с использо-

     ванием индекса iCOMP используется фирмой Intel в новой систе-

     ме маркировки процессоров Pentium. например, 735\90 и 815\100

     для тактовой частоты 90 и 100 MHz.

        Кроме фирмы Intel,  на рынке  широко  представлены  другие

     фирмы, выпускающие  клоны  семейств 486 и Pentium. 2  Фирма AMD

      2производит 486DX-40, 486DX2-50, 486DX2-66. Готовятся к выпус-

      2ку процессоры 486DX@-80 и 486DX4-120. 0 Они обеспечивают полную

     совместимость со всеми ориентированными  на  платформу  Intel

     программными продуктами и такую же производительность,  как и

     аналогичные изделия фирмы Intel (при одинаковой тактовой час-

     тоте). Кроме того,  они предлагаются по более низким ценам, а

     процессор на 40 MHz6 отсутствующий в  производственной  прог-

     рамме Intel, конкурирует с 486DX-33, превосходя его по произ-

     водительности на 20 процентов при меньшей стоимости.

         2Фирма Cyrix разработала процессоры М6 и  0М7 2  (аналоги 486SX

      2и 486 0DX 2) на тактовые частоты 33 м 40 MHz, а также с удвоением

      2частоты DX2-50  и  DX2-66. 0  Они имеют более быстродействующую

     внутреннюю кэш-память 8 КВ с обратной запписью и более  быст-

                                - 44 -

     рый встроенный сопроцессор. По некоторым операциям производи-

     тельность выше, чем у процессоров фирмы Intel, по некоторым -

     несколько ниже. Соответственно, существенно различаются и ре-

     зультаты на разных тестирующих программах.  Цены на 486  про-

     цессоры Cyrix значительно ниже, чем на Intel и AMD. Подготов-

     лен к выпуску совместимый с Pentium 2 процессор М1 0, который мо-

     жет составить  ему серьезную конкуренцию,  так как будет пре-

     восходить его при работе с рассчитанными на  486  процессоры,

     то есть не оптимизированным под Pentium,  программным обеспе-

     чением. По оценкам Intel,  эффективность Pentium при работе с

     такми программным обеспечением составляет около 70 процентов,

     Cyrix же обещает 90, так как архитектура М1 более "рисковая":

     он имеет 32 регистра вместо 8 и систему их динамической пере-

     адресации для обеспечения совместимости.  В то же время М1 по

     операциям с плавающей точкой уступает процессору фирмы Intel.

         2Cобственные варианты процессоров семейства 486 - 486SX-33,

      2486SX-40, 486SX-80,  486DX-40 предлагает фирма UMC. 0  Они пол-

     ностью совместимы с процессорами Intel. Из-за патентных огра-

     ничений они не поставляются в США.

        Первый клон процессора Pentium - изделие под названием 586

     - выпустила фирма NexGen. Этот 64-разрядный процессор рассчи-

     тан на работу на тактовых частотах 60 и 66 MNz,  построен  на

     основе запатентованной  суперскалярной  архитектуры  RISC86 и

     полностью совместим с семейством 80х86.  Напряжение питания -

     3,3 вольта. Стоимость его существенно ниже, чем у Pentium.

        Для самых простых систем фирмой Texas Instruments  продол-

     жается выпуск дешевых, но эффективных процессоров 486DLC, ко-

     торые, занимая промежуточное положение между 386  и  486  се-

                                - 45 -

     мейством (они выполнены в конструктиве 386 процессора0, обес-

     печивают производительность на уровне 486 процессора при цене

     386. Новая  версия  - 486SXL с увеличенной до 8 КВ внутренней

     кэш-памятью еще ближе приближается к характеристикам 486  се-

     мейства.

        Все большую популярность завоевывают 2  риск-процессоры  се-

      2мейства Power PC 601 (IBM,  Apple,  Motorola) 0,  которые имеют

     отличную от Intel архитектуру (в основе -  архитектура  Power

     фирмы IBM  с  внутренней  кэш-памятью 32 КВ).  Полагают,  что

     именно конкуренция между Power PC и  Pentium  является  самым

     существенным фактором для развития рынка процессоров и персо-

     нальных компьютеров.  Power PC 601 примерно в два раза дешев-

     ле, чем  Pentium,  потребляет  в  два раза меньшую мощность и

     превосходит Pentium по производительности, особенно по опера-

     циям с плавающей точкой.  Сначала на процессоре 601 была реа-

     лизована только система 6000 фирмы IBM и PowerMac фирмы  App-

     le. В  настоящее время большинство производителей компьютеров

     имеют свои варианты систем на базе Power PC,  однако  решение

     об их производстве будет определяться прежде всего складываю-

     щейся конъюнктурой.