2.1.3. Основные модели микропроцессоров.

           Ограничим наше рассмотрение 16- и 32 – разрядными МП с CISC – архитектурой, так как именно они используются в качестве основных МП ППЭВМ. Только лишь благодаря разработке 16 – разрядных приборов микропроцессорная техника в основном достигла уровня, необходимого для построения ПЭВМ массового спроса. Появление 32 – разрядных МП позволило создать ПЭВМ высшего класса для приложений, характеризующихся большим объемом вычислений.

            Основные модели МП ведущей в этой области этой фирмы Intel и их технические характеристики приведены в табл. 2.1. Эти приборы используются в IBM – совместимых ПЭВМ. Все МП выпускаются на различные частоты, причем придельные тактовые частоты постоянно повышаются за счет совершенствования технологий. Чем выше тактовая часть МП, тем выше его стоимость и энергопотребление. Имеются также МП с переключаемой тактовой частотой. Оценки быстродействия весьма относительны и представлены для модификаций с максимально возможной для данной модели тактовой частотой.

            Популярность МП фирмы Intel объясняется их высокими техническими характеристиками и поддержкой корпорацией IBM. В настоящее время аналогичные приборы выпускаются и другими производителями, среди которых достойны упоминания американские компании Harris Semiconductor и  Advanced Micro Devices (AMD), а также японская корпорация NEC Information Systems.

            Приборы 8086 и 8088  различаются только разрядностью шины данных. Они не обеспечивают в полной мере асинхронную работу ПУ и не содержат средств защиты памяти для разграничения доступа, а следовательно, используется главным образом в однопрограммном режиме. Отсутствуют и средства поддержки виртуальной памяти. Известны приборы с пониженным энергопотреблением (80С88 и 80С86), что важно для портативных ПЭВМ, а также с переключаемой тактовой частотой (8088 – 2). Аналогами МП 8086/88 явл. отечественные изделия К1810ВМ88, а также приборы MSM80C86 и  MSM80C88 американские фирмы Oki Semiconductor. Корпорация NЕС выпускает МП V20 и V30, которые способны выполнять программы для приборов 8086/88, однако имеют по сравнению с ними расширенную систему команд и оригинальную двухшинную архитектуру, что обеспечивает более быстрое выполнение большинства команд. Улучшенными вариантами МП V20 и V30 являются приборы V40, V50 и V35. На их кристаллах дополнительно размещены базовые периферийные схемы.

 Таблица 2.1

Основные технические характеристики микропроцессоров фирмы Intel

Переходным МП 8086/88 и 80286 был прибор 80186/80188, который не получил широкого распространения. Он применялся лишь в нескольких моделях ПЭВМ.

            МП 80286 свободен от упомянутых недостатков своих предшественников и имеет следующие режимы работы:

1)     незащищенный (реальный) режим работы с физической памятью, в котором этот прибор эмулирует (имитирует) МП 8086, возможно, повышенного быстродействия, выполняя подготовленные для него программы;

2)     защищенный режим (формально – защищенный режим виртуальной адресации), когда используются виртуальная память и механизм защиты памяти.

В защищенном режиме допустимо мультипрограммирование. Имеется возможность непосредственного подключения к ПЭВМ типа РС АТ двух дополнительных консолей, чем обеспечивается возможность работы в многопользовательском режиме. Сменный же модуль ATtain 286 американской фирмы Corollary в состоянии обслужить 8 консолей. Этот модуль содержит МП 80286, двухпортовую память емкостью 1 Мбайт и два последовательных АИ. К ПЭВМ РС АТ можно подсоединить до четырех подсистем ATtain 286. При этом она превращается в многопользовательскую мультипроцессорную микроЭВМ, способную одновременно обслуживать до 33 пользователей. Виртуальная память изделия 80286 имеет сегментную организацию.

Существует модификация прибора 80286 с пониженным потреблением энергии – 80С286. Фирмы Harris Semiconductor и AMD выпускают аналоги МП 80286, но с лучшими по сравнению с ним характеристиками ( на25 и 20 МГц соответственно). Корпорация NEC предлагает прибор V33, который характеризуется пониженным энергопотреблением, способен выполнять программы для МП 80286, но имеет расширенную систему команд, что не обеспечивает обратную совместимость. Отечественный прибор К1810ВМ86М также является аналогом изделия 80286, но неполным, так как выполняет некоторые команды последнего в режиме программной эмуляции. В 1988 г . японская фирма VM Technology выпустила МП VM860S, в котором используется архитектура и технология виртуальных процессоров (VM). Он способен заменить 16-разрядные изделия фирмы Intel либо реализовать полностью или частично оригинальные наборы команд. Этот прибор имеет повышенное быстродействие и не содержит микрокода. Гибкость его архитектуры (в частности, системы команд) достигается программируемыми логическими матрицами, что обеспечивает аппаратную реализацию команд. Адресное пространство физической памяти МП VM860S составляет 512 Мбайт, виртуальное адресное пространство – 4 Гбайт, а разрядность – 16/16/29.

Среди производителей 16-разрядных МП с архитектурой, отличной от приборов фирмы Intel, можно назвать следующие американские компании:

1)      National Semiconductor выпускающую прибор NS32016;

2)      Texas Instruments, предлагающую изделие TMS9900;

3)      Zilog, поставляющую Z8000 и Z8003.

Шины адреса и данных 16-разрядных МП, как правило, являются мультиплексированными, т.е. совместно используемыми.

Большинство моделей 32-разрядных МП различных производителей характеризуются:

1)      Развитой конвейерной структурой;

2)     Наличием устройства управления виртуальной памятью на кристалле или средств поддержки внешнего аналогичного устройства;

3)      Схожестью структуры, несмотря на различия в системах команд;

4)      Наличием очереди команд либо кэш-памяти команд и/или данных.

Некоторые наиболее совершенные модели 32-разрядных МП имеют средства обработки чисел с плавающей точкой (вещественных чисел), а также немультиплексированные шины адреса и данных, что способствует повышению быстродействия.

Как уже отмечалось, первый 32-рвзрядный МП, но с 16- разрядной шиной данных был создан фирмой Motorola в 1980 г . и назывался МС68000. Первый же полностью 32-разрядный однокристальный прибор NS32032 разработала National Semiconductor в 1982 г . Вскоре (в 1984 г .) появился аналогичный прибор МС68020 фирмы Motorola. Фирма же Intel заметно отставала до тех пор, пока не выпустила изделие 80386. Желание и необходимость обеспечить его совместимость с приборами 8086 и 80286 не позволили разработчикам реализовать радикальные технические решения. Поэтому по ряду показателей МП 80386 уступает своим конкурентам. Несмотря на это, он пользуется высоким спросом на рынке, так как накоплен большой объем ПО для его предшественников. Кроме того, этот прибор, как и все МП фирмы Intel (что уже отмечалось), поддерживается фирмой IBM.

Итак, изделие 80386 отличается от прибора 80286 не столь радикально, как последний от 8086/88, и имеет развитую конвейерную структуру, средства поддержки виртуальной памяти с возможностью выбора сегментной, страничной или комбинированной организации, а также усовершенствованный механизм защиты памяти, который назван системой защиты конфигурации. Защита конфигурации гарантирует надежную работу машины при выполнении сложных прикладных программ (в частности, уменьшение степени повреждений, вызванных ошибками в ПО). Средства защиты МП 80386 характеризуется также аппаратным, а не программным переключением задач и расширенными средствами отладки программ за счет введения дополнительных команд, но отсутствием аппаратных средств для обработки чисел с плавающей точкой и встроенной кэш-памяти, а также мультиплексированностью шин адреса и данных.

Максимальный размер сегмента увеличен с 64 Кбайт до 4Гбайт. Размер страницы составляет 4Кбайт. В МП 80386 реализованы следующие виды адресации памяти: сегментно-страничная, сегментная, линейная и странично-линейная, причем механизм  страничной памяти является подчиненным по отношению к механизму сегментной организации.

В МП 80386 предусмотрена возможность динамического изменения ширины шины данных.

Аналогично прибору 80286 МП 80386 может функционировать в реальном и защищенном режимах.

В реальном режиме процессор имитирует МП 8086, выполняя соответствующие программы с большей скоростью. При этом он (как и прибор 80286 в реальном режиме) работает в однопрограммном режиме и его адресное пространство также ограничено объемом 1Мбайт.

Защищенный режим раскрывает все возможности МП 80386. Этот режим, в свою очередь, включает три подрежима:

-        режим виртуального процессора 8086;

-        защищенный режим МП 80386;

-        собственно защищенный режим прибора 80386.

В режиме виртуального процессора 8086 обеспечивается мультипрограммная работа с выполнением программ для МП 8086. Это по сути поддержка системы виртуальных машин, в чем и состоит главное качественное отличие прибора 80386 от 80286. Данный режим обеспечивается средствами «среды многопроцессорного исполнения» (multiple-execution environment), позволяющей параллельно выполнять разнородные программы, в том числе различные ОС. Адресное пространство каждого виртуального процессора 8086 ограничивается объемом 1 Мбайт. Защищенный режим МП 80286 эмулирует работувысокоскоростного процессора 80286, обеспечивая многопрограммную обработку и 16-Мбайт адресное пространство. Собственно защищенный режим МП 80386 характеризуется 4-Гбайт адресным пространством, а также поддержкой многопрограммной работы.

В 1987 г. фирма Motorola выпустила новый МП МС68030 и довела его тактовую частоту в 1989 г. До 50 МГц. Он, безусловно, составляет серьёзную конкуренцию прибору 80386.

Обратим внимание на выпуск в 1987 г. фирмой Intel гибридной модели 80386SX.Это вызвано тем, что компания Harris Semiconductor и AMD заметно опередили фирму Intel по производству высокоскоростных модификаций МП 80286. Прибор 803686SX является быстродействующей заменой для изделия 80286 практически при той же стоимости ПЭВМ. МП 80386SX имеет ту же внутреннюю архитектуру, что и 80386, и отличается от последнего только разрядности двух шин. AMD в 1991 г. уже выпустила 25–МГц вариант МП 80386SX.

В том же 1991 г. фирма Intel стала предлагать изделие 80386SL, в основе которого лежит МП 80386SX. Прибор 80386SL предназначен для использования в блокнотных ПЭВМ и имеет следующие особенности:

- в его состав входят схемы управления периферийным оборудованием;

- габариты МП 80386SL на 40% меньше прибора 80386SX;

- МП 80386SL обладает пониженным энергопотреблением благодаря «управлению» питанием. Очередной виток конкурентной борьбы в области 32-разрядных МП связан с появлением в 1989 г. новых приборов – 80486 (Intel) МС68040 (Motorola). По степени готовности этих МП фирма Intel шла впереди.

- Кэш-память команд и данных 8 Кбайт;

- средства выполнения операций над числами с плавающей точкой (сопроцессор плавающей точки);

- средства для многопроцессорной обработки, в том числе несколько новых команд.

Устройство управления виртуальной памятью ориентировано на страничную организацию. Шины адресов и данных не мультиплексированы. В 1991 г. Intel сообщила, что ей удалось разогнать прибор 80486 до 100 МГц.

На одной и той же тактовой частоте МП 80486 работает примерно в 2 раза быстрее прибора 80386.

Недавно фирме Intel пришлось сделать откат назад и выпустить изделие 80486SX. МП 80486SX полностью повторяет прибор 80486, но не содержит сопроцессора плавающей точки. Причиной разработки 80486SX явилось то, что AMD стала предлагать аналоги изделия 80386  с повышенной тактовой частотой (до 40 МГц). 20-МГц МП 80486SX полностью повторяет прибор 80486, но не содержит сопроцессора плавающей точки. Причиной разработки 80486SX явилось то, что AMD стала предлагать аналоги изделия 80386 с повышенной тактовой частотой (до 40 МГц). 20-МГц МП 80486SX полностью заменяет 80386 (это относится как к функциональным возможностям, так и к стоимости).

Чтобы можно было легко отличить МП 80386/486  от 80386SX, к обозначению первых теперь добавлены справа буквы DX (80386DX и 80486DX).

В августе 1989 г. вице-президент фирмы Intel Д. Хаус сообщил о разработке МП 80586, который будет содержать 4 млн. транзисторов и появится  на рынке в 1993 г. На конец 1995 г. планируется выпуск МП 80686 (22 млн. транзисторов), а к 2000 г. – прибор 80786, который будет работать с тактовой частотой 250 МГц и содержать около 100 млн. транзисторов. По словам Д.Хауса, в последнем будет параллельно «функционировать четыре обычных и два векторных процессора».

Доминирующая на японском рынке корпорация NEC проводит свою политику в области 32-разрядных МП. Ее прибор V60, выпущенный в 1986 г., был первым в мире изделием, оснащенным средствами обработки чисел с плавающей точкой. Модели же V70 (1987 г.) и особенно V80 (1989 г.) имеют очень хорошие характеристики.

Таким образом, в области 32-разрядных МП в настоящее время идет острая конкуренция  борьба без отчетливо выраженного лидера. В области же 16-разрядных МП большой отрыв имеют приборы8086, 80286 и их аналоги.

По объему сбыта 32-разрядных МП места различных фирм распределяются следующим образом:

1)              Motorola:

2)              Intel:

3)              National Semiconductor (приборы NS32032, NS32332 и NS32532):

4)              американская компания АТ&Т (изделие WE32100):

5)              Zilog (МП Z80000):

Кроме того, в данном секторе рынка фигурируют следующие производители:

- японская фирма Hitachi (МП Micro 32, являющийся аналогом  прибора МС68020);

- VM Technology (изделие VM8600S, имеющее те же свойства, что и VM860S).

Подчеркнем еще раз, что 32-разрядные МП различных фирм несовместимы между собой (имеют различные системы команд).

Группы европейских и японских производителей вынашивают планы создания мировых стандартов МП, каковыми стали изделия фирмы  Intel  и  Motorola (последние используются в ПЭВМ компании Apple Computer). Для этого необходимо, как минимум;

1)              создать прибор с самыми высокими техническими характеристиками;

2)              обеспечить перенос накопленного ПО;

3)              убедить заказчиков в том, что все это всерьез и надолго, т.е. что они в обозримом будущем не сдадут свои позиции и не уступят лидерство другим фирмам.

В качестве японского вызова в связи с этим можно упомянуть проект TRON (The Real-time Operating-system Nucleus – ядро ОС реального времени) компаний Fujitsu, Hitachi и Mitsubishi, разработавших МП с быстродействием до 20 млн. команда/c. МП этой группы хорошо совместимы с ОС UNIX.

По сферам применения 32-разрядные МП можно разделить на следующие группы:

1)   для АРМ и многопользовательских микроЭВМ (приборы WE32100,80386,80486, МС68020,МС68030,МС68040, NS32332, Micro 32, V70 и V80);

2)   для систем реального времени (изделия NS 32032 и NS32532);

3)   для контролеров, ПУ и встроенных микроЭВМ (модели NS32532, Z80000 и др.);

4)   для многопроцессорных систем (МП 80486, МС68040 и NS32532);

5)   для военной аппаратуры (прибор  Z80000)$

6)   для ПЭВМ (изделия фирм Intel, Motorola и NEC).