Разрядность микропроцессора. Что это такое?
Информация внутри компьютера представлена в виде двоичных чисел, т.е. сочетаний логических единиц и нулей, называемых битами (1 бит- один двоичный разряд, 1 или 0). Между устройствами компьютера данные передаются не сплошным потоком, а порциями- машинными словами, одно машинное слово передаётся за один такт работы компьютера. Количество бит в машинном слове называется разрядностью. Чем больше разрядность, т.е. чем длиннее машинное слово, тем быстрее передаётся и обрабатывается информация, тем быстрее работает компьютер.
Применительно к микропроцессору, различают три вида разрядности:
1. разрядность регистров микропроцессора;
2. разрядность шины данных;
3. разрядность шины адреса.
Разрядность регистров- это длина машинного слова внутри микропроцессора. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти процессора- вместимостью регистров. Когда классифицируют микропроцессор и употребляют термин «разрядность микропроцессора», то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов.
С середины 80-х, когда был выпущен процессор Intel 80386 и до начала 2000-х годов все процессоры для персональных компьютеров (не серверов и профессиональных рабочих станций) были 32-разрядными. В 2002 году появились 64-битные процессоры «Power PC G5» разработки компании IBM для персональных компьютеров Apple Mac. Первые 64-битные процессоры для IBM PC-совместимых персональных компьютеров были разработаны в 2003 году компанией AMD (Athlon 64). Весной 2005 года компания Intel предложила свои первые 64-разрядные микропроцессоры для персональных компьютеров- это Intel Pentium 4 серии 6хх и Pentium 4XE с частотой 3.73 МГц, поддерживающие технологию EM64T. Следует отметить, что для эффективной работы микропроцессоров AMD и Intel в новом 64-разрядном режиме необходимо установить на компьютер 64-разрядные версии всех программ, и в первую очередь операционную систему WindowsХР Pro x64. Иначе перечисленные процессоры будут работать как их 32-разрядные предшественники, принципиально от них не отличаясь.
Разрядность шины данных. Под шиной данных понимается группа проводников, по которым от микропроцессора к другим устройствам компьютера передаются данные. Разрядность шины данных – это число проводников в ней. Этот вид разрядности диктует длину машинных слов при передаче информации вне процессора, т.е. это длина «внешнего машинного слова». Длина машинных слов внутри микропроцессора и длина внешнего машинного слова могут не совпадать. Например, первый микропроцессор, устанавливавшийся на персональный компьютер IBM PC (Intel 8088), имел внутреннюю разрядность 16 бит, а длину внешнего машинного слова- всего 8 бит. В его современнике Intel 8086 длина внешнего машинного слова была увеличена до размеров разрядности регистров, т.е. до 16 бит, что дало прирост производительности микропроцессора на 40% при той же тактовой частоте. Схожее несовпадение разрядности компания Intel применила на микропроцессоре 80386SX, а также на всех процессорах Pentium (исключая последние 64-разрядные).
Разрядность шины адреса- это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от микропроцессора к оперативной памяти передаётся информация для определения ячеек памяти, к которым надо получить доступ. Чем шире шина адреса, тем к большему числу ячеек памяти может адресовываться микропроцессор. Адресное пространство микропроцессора, т.е. наибольший теоретически возможный размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора, определяется величиной 2n, где n- разрядность адресной шины. Например, у Intel 8088 и Intel 8086 адресная шина имела 20 проводников. Наибольший размер оперативной памяти у компьютеров с таким микропроцессором был не более 220 = 1048 000 байт, т.е. 1 Мбайт. У процессора следующего поколения, Intel 80286, была 24-разрядная шина адреса, что увеличило максимум адресуемой оперативной памяти до 16 Мб. Начи
Остальные ответы
Ширина системной шины процессора. Число со столькими разрядами он может обрабатывать сразу за один тактовый шаг.
Для bimbam — первые 64-ч разрядные системы для мини и персональных ЭВМ появились еще в 1992 году — авторы: фирма Digital Equipment Corporation. Intel тогда был в рядах догоняющих.
Основные характеристики микропроцессоров
Характеристики универсальных микропроцессоров:
1. Разрядность (мощность) — определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ). Количество бит в машинном слове называется разрядностью. Чем больше разрядность, т.е. чем длиннее машинное слово, тем быстрее передаётся и обрабатывается информация, тем быстрее работает компьютер.
Применительно к микропроцессору, различают три вида разрядности:
1. Разрядность регистров микропроцессора;
2. Разрядность шины данных;
3. Разрядность шины адреса.
Разрядность регистров — это длина машинного слова внутри микропроцессора. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти процессора- вместимостью регистров. Когда классифицируют микропроцессор и употребляют термин «разрядность микропроцессора», то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов.
Разрядность шины данных. Под шиной данных понимается группа проводников, по которым от микропроцессора к другим устройствам компьютера передаются данные. Разрядность шины данных – это число проводников в ней. Этот вид разрядности диктует длину машинных слов при передаче информации вне процессора, т.е. это длина «внешнего машинного слова». Длина машинных слов внутри микропроцессора и длина внешнего машинного слова могут не совпадать. Например, первый микропроцессор, устанавливавшийся на персональный компьютер IBM PC (Intel 8088), имел внутреннюю разрядность 16 бит, а длину внешнего машинного слова — всего 8 бит. В его современнике Intel 8086 длина внешнего машинного слова была увеличена до размеров разрядности регистров, т.е. до 16 бит, что дало прирост производительности микропроцессора на 40% при той же тактовой частоте. Схожее несовпадение разрядности компания Intel применила на микропроцессоре 80386SX, а также на всех процессорах Pentium (исключая последние 64-разрядные).
Разрядность шины адреса — это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от микропроцессора к оперативной памяти передаётся информация для определения ячеек памяти, к которым надо получить доступ. Чем шире шина адреса, тем к большему числу ячеек памяти может адресовываться микропроцессор. Адресное пространство микропроцессора, т.е. наибольший теоретически возможный размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора, определяется величиной 2 n , где n- разрядность адресной шины.
Например, у Intel 8088 и Intel 8086 адресная шина имела 20 проводников. Наибольший размер оперативной памяти у компьютеров с таким микропроцессором был не более 2 20 = 1048 000 байт, т.е. 1 Мбайт. У процессора следующего поколения, Intel 80286, была 24-разрядная шина адреса, что увеличило максимум адресуемой оперативной памяти до 16 Мб. Начиная с Intel 80386, микропроцессоры Intel длительное время имели 32-битную шину адреса и соответственно адресное пространство 4 Гб.
2. Тип ядра и технология производства. Технология определяется толщиной минимальных элементов процессора, — чем более «тонкой» становится технология, тем больше транзисторов может уместиться на кристалле. Кроме этого, переход на новую технологию помогает снизить энергопотребление и тепловыделение процессора, что очень важно для его стабильной работы.
Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного «ядра»
3. Производительность — Производительность процессора измеряется во Флопсах. Флопс — это количество элементарных операций (тактов) выполняемых за 1 секунду с плавающей запятой. Флопс бывает: 1 Флопс = 10 (нулевая степень), 1 Килофлопс = 10*** степени, 1 Мегафлопс = 10****** степени, 1 Гигафлопс = 10********* степени, 1 Террафлопс = 10************ степени.
Пусть у нас имеется процессор AMD Athlon Core 2/3,5 HHz, пусть процессор выполняет 4 операции за 1 такт времени в каждом ядре, вычислим его производительность: 4 х 4 х 3,5 ГГц = 56 (Гигафлопс) или 56 миллиардов операций в 1 секунду.
Надо помнить, что количество тактов выполняемых процессором не всегда совпадает с фактическим количеством операций в 1 секунду!
И вот почему:
1) для выполнения многих математических операций процессору требуется несколько тактов,
2) конкретное количество операций зависит от типа процессора (чем выше тип, тем меньше требуется количество тактов на выполнение операций),
3) компоненты физической схемы компьютера влияют на скорость выполнения,
4) быстродействие в основном определяется тактовой частотой процессора, чем она выше, тем больше скорость выполнения операций в 1 секунду!
4. Тактовая частота (быстродействие) — процессора или такт ядра процессора — промежуток между двумя импульсами тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду).
Выполнение различных элементарных операций может занимать от долей такта до многих тактов в зависимости от команды и процессора. Общая тенденция заключается в уменьшении количества тактов, затрачиваемых на выполнение элементарных операций.
5. Объем кэш-памяти, которая имеет два уровня: L1 – память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы микропроцессора и работающая всегда на полной частоте микропроцессора; L2 – память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате микропроцессора и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной, может работать на полной или половинной частоте микропроцессора.
6. Архитектура МП. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора – это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Научный форум dxdy
Последний раз редактировалось e2e4 16.06.2011, 17:20, всего редактировалось 1 раз.
Вопрос нечеткий, хотелось бы получить хотя бы наметки ответа.
Понятно, что процессоры бывают разного назначения, скажем для целей управления, для мощных (возможно, специфических) вычислений, общего применения и т.п. Но давайте рассмотрим некоторый «среднестатистический» микропроцессор, одинаково хороший (и плохой) для всех возможных задач, ну, скажем, центральный микропроцессор для бытового ПК. Архитектура RISC/CISC, никакой экзотики.
Далее, условимся, что у него строго фиксирован размер длины поля команды (по ряду не важных в этом обсуждении причин).
Вопрос: как бы поумнее подойти к вопросу выбора этой длины команды (разрядности), добиваясь максимальной эффективности? С одной стороны, слишком короткие команды слишком просты, и требуется из большое число (т.е. кол-во обращений к памяти), чтобы выполнить некоторую задачу. С другой стороны, слишком длинные команды сильно усложняют декодер команд, и, соответственно, выполняются медленнее. Есть и ряд других соображений, которые знакомы разработчикам процессоров, я просто привел два противоположных, чтобы подчеркнуть мысль о том, что где-то должен быть некоторый оптимум размера команды с учетом конкретного применения процессора.
Также хотелось бы пообсуждать «джентельменский набора» команд процессора в привязке к предлагаемой длине команд (с учетом естественного ограничения кол-ва возможных команд), хотя, в отрыве от архитектуры, наверное это не очень актуально.
Большая просьба, не давать ответов общего характера, а также невнятных ссылок (внятные — очень желательны, однако проведя много дней тематического поиска в инете, не нашел практически ничего вразумительного). Хотелось бы услышать именно Ваши соображения по поднятому вопросу. Спасибо.
Re: Разрядность команд процессора
16.06.2011, 18:29
| Заслуженный участник |
e2e4 в сообщении #458757 писал(а):
размер длины поля команды
e2e4 в сообщении #458757 писал(а):
Вопрос: как бы поумнее подойти к вопросу выбора этой длины команды (разрядности),
Так «длины команды» или «разрядности»? Это разные вещи.
e2e4 в сообщении #458757 писал(а):
С одной стороны, слишком короткие команды слишком просты, и требуется из большое число (т.е. кол-во обращений к памяти), чтобы выполнить некоторую задачу.
Большее число команд не означает большего количества обращений к памяти. Скорее наоборот.
e2e4 в сообщении #458757 писал(а):
С другой стороны, слишком длинные команды сильно усложняют декодер команд, и, соответственно, выполняются медленнее.
Длинные команды наоборот упрощают декодер. А медленнее они могут выполнятся потому что программа становится длиннее и требуется больше времени на чтение кода из памяти.
С другой стороны, более длинные команды дают возможность использовать больше регистров, уменьшая количество обращений к памяти за данными.
Не забывайте, что в современных компьютерах память обычно медленнее процессора, и для повышения производительности надо уменьшать количество обращений к памяти.
Лекция 2: Регистровая структура универсального микропроцессора
Аннотация: Цель лекции: рассмотреть состав, назначение и особенности использования различных групп регистров, входящих в состав универсального микропроцессора. Состав, структура и назначение регистров микропроцессора являются важной чертой его архитектуры и во многом определяют его функциональные возможности. Поэтому изучение этого вопроса весьма важно для понимания дальнейшего материала.
Регистровая структура универсального микропроцессора
В универсальном 32-разрядном микропроцессоре выделяют следующие группы регистров:
- основные функциональные регистры;
- регистры процессора с плавающей точкой;
- системные регистры;
- регистры отладки и тестирования.
Первые две группы регистров используются прикладными программами, последние две группы — системными программами , имеющими наивысший уровень привилегий .
Рассмотрим каждую из этих групп подробнее.
Основные функциональные регистры
В состав регистров этой группы входят:
- регистры общего назначения;
- регистр указателя команд;
- регистр флагов ;
- сегментные регистры .
Состав и структура регистров общего назначения представлены на рис. 2.1.
Блок состоит из восьми 32-разрядных регистров. К каждому из них можно обращаться как к одному двойному слову (32 разряда).
Отметим, что понятие » слово » в данной архитектуре не идентично разрядности микропроцессора. Исторически сложилось так, что под словом понимается единица информации длиной 2 байта, или 16 двоичных разрядов. К младшим 16 разрядам регистров общего назначения можно обращаться так же, как и в 16-разрядном микропроцессоре (AX, BX… SP ). Четыре 16-разрядных регистра AX , BX , CX , DX допускают обращение отдельно к своему старшему и младшему байту. Тем самым регистры позволяют на программном уровне работать либо с восемью 32-разрядными, либо с восемью 16-разрядными, либо с восемью 8-разрядными регистрами.
Рис. 2.1. Регистры общего назначения
Все эти регистры используются для хранения промежуточных результатов вычислений и составных частей адреса при различных режимах адресации операндов, расположенных в памяти.
Кроме того, ряд регистров этого блока имеют свое, присущее только им назначение:
- EAX/AX/AL — регистр-аккумулятор, используется для сокращения длины команды при работе с непосредственными операндами;
- AX/AL — приемник (источник) данных в командах ввода (вывода) данных из (в) внешнего устройства;
- DX — определяет адрес ВУ в командах ввода (вывода) данных;
- ECX — используется в качестве счетчика циклов в командах циклов ;
- BP , SP — используются при работе со стеком;
- ESI , EDI ( DI , SI ) — определяют положение строк в памяти в командах обработки строк.
Регистр указателя команд и регистр флагов имеют длину 32 разряда.
Младшее слово каждого из этих регистров (разряды 0-15) функционально соответствует аналогичным разрядам в 16-разрядном микропроцессоре (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Регистр указателя команд и регистр флагов
Регистр указателя команд EIP хранит смещение адреса команд относительно начала сегмента кода (сегмента команд).
Регистр флагов EFLAGS содержит признаки результата выполненной команды, а также разряды, управляющие работой микропроцессора: обработкой маскированных прерываний, последовательностью вызываемых задач, вводом-выводом и рядом других действий. Из этих флагов рассмотрим только наиболее значимые и интересные с точки зрения дальнейшего изучения работы микропроцессора.
К битам состояния регистра флагов относятся:
- ZF — признак нуля результата ( ZF = 1 , если все разряды результата равны 0);
- SF — знак результата ( SF = 1 , если старший разряд результата равен 1, то есть если результат отрицательный);
- OF — признак переполнения ( OF = 1 , если при выполнении арифметических операций над числами со знаком происходит переполнение разрядной сетки);
- CF — флаг переноса ( CF = 1 , если выполнение операции сложения приводит к переносу за пределы разрядной сетки), устанавливается также в некоторых других операциях;
- PF — признак четности (дополняет до нечетного числа единиц младший байт результата);
- AF — флаг полупереноса (используется при операциях над двоичнодесятичными числами);
- DF — устанавливается пользователем и определяет порядок обработки строк символов в соответствующих командах: декремент (при DF = 1 ) или инкремент (при DF = 0 ) содержимого индексных регистров ESI , EDI ( SI , DI ) после обработки одного символа.
В состав флагов управления входят:
- IF — флаг прерываний (при IF = 1 разрешается обработка маскированных аппаратных прерываний );
- TF — флаг ловушки , или трассировки (при ТF = 1 после выполнения каждой команды возникает прерывание, используемое отладчиками;);
- NТ — бит вложенной задачи (показывает, что данная задача была вызвана из другой программы, аналогично подпрограмме, и возврат из этой задачи должен проводиться по механизму переключения задач);
- IOPL — 2-разрядное поле уровня привилегий ввода/вывода (определяет уровень привилегий программ, которым разрешено выполнение операции ввода-вывода);
- VM — режим виртуального микропроцессора i8086 (при работе микропроцессора в защищенном режиме установка VM = 1 вызывает переключение в режим виртуального микропроцессора i8086; в этом случае микропроцессор функционирует как быстрый МП i8086, но реализует механизмы защиты памяти , страничной адресации и ряд других дополнительных возможностей; бит VM может быть установлен только в защищенном режиме).
Блок сегментных регистров состоит из шести 16-разрядных регистров, которые указывают на различные сегменты , расположенные в памяти компьютера:
- CS ( Code Segment ) — сегмент кода программы;
- DS ( Data Segment ) — сегмент данных;
- SS ( Stack Segment ) — сегмент стека;
- ES , FS , GS — дополнительные сегменты данных.
При работе микропроцессора в реальном режиме в сегментном регистре содержатся старшие 16 разрядов 20-разрядного базового адреса сегмента. Физический адрес начала сегмента получается умножением этой величины на 16:
Как в ворде искать по слову в тексте