Особенности процессора 486 - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Процессор 486 является представителем второго поколения 32-разрядных процессоров. Он сохраняет основные принципы архитектуры процессора 80386, а также обеспечивает полную совместимость со своими предшественниками. Но в то же время он имеет ряд преимуществ.
- * В процессор введена внутренняя кэш-память 1-го уровня (Internal cache Level 1) размером 8 Кбайт и предусмотрены средства для двухуровневого кэширования. * В процессор введен математический сопроцессор (в модели процессора 486SX сопроцессор отсутствует). * Повышена производительность обмена по внешней шине -- введены так называемые пакетные циклы, передающие одно слово за один такт шины. * В архитектуре процессора применено скоростное RISC-ядро, которое позволяет наиболее часто встречающиеся команды выполнять за один такт. * В структуру введены буферы отложенной записи. * В отдельных моделях предусмотрено внутреннее умножение тактовой частоты (на 2, 2,5 или 3).
Все это обеспечило существенное увеличение быстродействия. А усовершенствованный защищенный режим дает некоторые дополнительные возможности.
Рассмотрим подробнее принцип действия кэш-памяти.
Кэш-память (или просто кэш, от англ. Cache -- склад, тайник) предназначена для промежуточного хранения информации из системной памяти с целью ускорения доступа к ней. Ускорение достигается за счет использования более быстрой памяти и более быстрого доступа к ней. При этом в кэш-памяти хранится постоянно обновляемая копия некоторой области основной памяти.
Необходимость введения кэша связана с тем, что системная память персонального компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти, которая характеризуется меньшей стоимостью, но и более низким быстродействием, по сравнению со статической памятью. Идея состоит в том, что благодаря введению быстрой буферной, промежуточной статической памяти можно ускорить обмен с медленной динамической памятью. По сути, кэш-память делает то же, что и применявшийся ранее конвейер команд, но на более высоком уровне. В кэш-памяти хранится копия некоторой части системной памяти, и процессор может обмениваться с этой частью памяти гораздо быстрее, чем с системной памятью. Причем в кэш-памяти могут храниться как команды, так и данные.
Выигрыш в быстродействии от применения кэша связан с тем, что процессор в большинстве случаев обращается к адресам памяти, расположенным последовательно, один за другим, или же близко друг к другу. Поэтому высока вероятность того, что информация из этих адресов памяти окажется внутри небольшой кэш-памяти. Если же процессор обращается к адресу, расположенному далеко от тех, к которым он обращался ранее, кэш оказывается бесполезным и требует перезагрузки, что может даже замедлить обмен по сравнению со структурой без кэш-памяти.
В принципе кэш-память может быть как внутренней (входить в состав процессора), так и внешней. Внутренний кэш называется кэшем первого уровня, внешний -- кэшем второго уровня. Объем внутреннего кэша обычно невелик -- типовое значение 32 Кбайт. Объем внешнего кэша может достигать нескольких мегабайт. Но принцип функционирования у них один и тот же.
Кэш первого уровня процессора 486 имеет четырехканальную структуру (рис. 7.9). Каждый канал состоит из 128 строк по 16 байт в каждой. Одноименные строки всех четырех каналов образуют 128 наборов из четырех строк, каждый из которых обслуживает свои адреса памяти. Каждой строке соответствует 21-разрядная информация об адресе скопированного в нее блока системной памяти. Эта информация называется тегом (Tag) строки.
Рис. 7.9. Структура внутреннего кэша процессора 486.
Кроме того, в состав кэша входит так называемый диспетчер, то есть область памяти с организацией 128х7, в которой хранятся 4-битные теги действительности (достоверности) для каждого из 128 наборов и 3-битные коды LRU (Least Recently Used) для каждого из 128 наборов. Тег действительности набора включает в себя 4 бита достоверности каждой из 4 строк, входящих в данный набор. Бит достоверности, установленный в единицу, говорит о том, что соответствующая строка заполнена; если он сброшен в нуль, то строка пуста. Биты LRU говорят о том, как давно было обращение к данному набору. Это нужно для того, чтобы обновлять наименее используемые наборы.
Адресация кэш-памяти осуществляется с помощью 28 разрядов адреса. Из них 7 младших разрядов выбирают один из 128 наборов, а 21 старший разряд сравнивается с тегами всех 4 строк выбранного набора. Если теги совпадают с разрядами адреса, то получается ситуация кэш-попадания, а если нет, то ситуация кэш-промаха.
В случае цикла чтения при кэш-попадании байт или слово читаются из кэш-памяти. При кэш-промахе происходит обновление (перезагрузка) одной из строк кэш-памяти.
В случае цикла записи при кэш-попадании производится запись как в кэш-память, так и в основную системную память. При кэш-промахе запись производится только в системную память, а обновление строки кэш-памяти не производится. Эта строка становится недостоверной (ее бит достоверности сбрасывается в нуль).
Такая политика записи называется сквозной или прямой записью (Write Through). В более поздних моделях процессоров применяется и обратная запись (Write Back), которая является более быстрой, так как требует гораздо меньшего числа обращений по внешней шине.
При использовании обратной записи в основную память записываемая информация отправляется только в том случае, когда нужной строки в кэше нет. В случае же попадания модифицируется только кэш. В основную память измененная информация попадет только при перезаписи новой строки в кэш. Прежняя строка при этом целиком переписывается в основную память, и тем самым восстанавливается идентичность содержимого кэша и основной памяти.
В случае, когда требуемая строка в кэше не представлена (ситуация кэш-промаха), запрос на запись направляется на внешнюю шину, а запрос на чтение обрабатывается несколько сложнее. Если этот запрос относится к кэшируемой области памяти, то выполняется цикл заполнения целой строки кэша (16 байт из памяти переписывается в одну из строк набора, обслуживающего данный адрес). Если затребованные данные не укладываются в одной строке, то заполняется и соседняя строка. Заполнение строки процессор старается выполнить самым быстрым способом -- пакетным циклом, однако внешний контроллер памяти может потребовать использования более медленных пересылок.
Внутренний запрос процессора на данные удовлетворяется сразу, как только данные считываются из памяти, а дальнейшее заполнение строки может идти параллельно с обработкой данных. Если в наборе, который обслуживает данный адрес памяти, имеется свободная строка, заполнена будет именно она. Если же свободных строк нет, заполняется строка, к которой дольше всех не обращались. Для этого используются биты LRU, которые модифицируются при каждом обращении к строке данного набора.
Кроме того, существует возможность аннулирования строк (объявления их недостоверными) и очистки всей кэш-памяти. При сквозной записи очистка кэша проводится специальным внешним сигналом процессора, программным образом с помощью специальных команд, а также при начальном сбросе - по сигналу RESET. При обратной записи очистка кэша подразумевает также выгрузку всех модифицированных строк в основную память.
Отметим, что в пространстве памяти персонального компьютера имеются области, для которых кэширование принципиально недопустимо (например, разделяемая память аппаратурных адаптеров -- плат расширения).
Режим пакетной передачи (Burst Mode), впервые появившийся в процессоре 486, предназначен для быстрых операций со строками кэша. Пакетный цикл обмена (Burst Cycle) отличается тем, что для пересылки всего пакета адрес по внешней шине адреса передается только один раз -- в начале пакета, а затем в каждом следующем такте передаются только данные. Адрес для каждого следующего кода данных вычисляется из начальною адреса по правилам, установленным как передатчиком данных, так и их приемником. Например, адрес каждого следующего слова данных вычисляется как инкрементированный адрес предыдущего. В результате время передачи одного слова данных значительно сокращается. Понятно, что обмен пакетными циклами возможен только с устройствами, изначально способными обслуживать такой цикл. Допустимая длина пакета не слишком велика, например, при чтении размер пакета ограничен одной строкой кэша.
Режим внутреннего умножения тактовой частоты процессора был предложен для того, чтобы повысить быстродействие процессора, но при этом устанавливать его в системные платы, рассчитанные на невысокие тактовые частоты. Например, модель процессора 486DX2-66 работает в системной плате с тактовой частотой 33, но эту частоту внутри себя преобразует в удвоенную частоту -- 66 М Гц. Это позволяет уменьшить общую стоимость системы, так как снижает требования к элементам системной платы.
Процессор 486 выпускался в 168- или 169-выводных корпусах. Напряжение питания -- 5 В или 3,3 В. Введение пониженного напряжения питания 3,3В связано с необходимостью снижения величины рассеиваемой мощности. Растущая тактовая частота и усложнение структуры процессоров приводят к тому, что рассеиваемая ими мощность достигает нескольких ватт. Для современных процессоров уже обязательно применение вентиляторов на корпусе процессора.
Похожие статьи
-
Виды архитектур - Микропроцессор как важнейший компонент персонального компьютера
Конвейерная архитектура Конвейерная архитектура (англ. pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для...
-
Особенности процессоров Pentium - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Процессоры Pentium относятся к пятому поколению процессоров или к третьему поколению 32-разрядных процессоров. По своим основным архитектурным принципам...
-
Особенности процессоров 8086/8088 - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Описание микропроцессоров фирмы Intel мы начнем с процессоров i8086/8088. Именно заложенные в них архитектурные решения во многом определили архитектуру...
-
Архитектура фон Неймана - Микропроцессор как важнейший компонент персонального компьютера
Микропроцессор компьютер регистр нейман Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии...
-
Особенности процессора 80386 - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
32-разрядный процессор i80386 открыл новый этап в истории микропроцессоров Intel и персональных компьютеров типа IBM PC. Естественно, он сохранял полную...
-
Особенности процессора 80286 - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Несмотря на то, что процессор 80286 остался 16-разрядным, как и его предшественник 8086, он представлял собой новое поколение процессоров, что определило...
-
Архитектура персонального компьютера - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Персональный компьютер типа IBM PC имеет довольно традиционную архитектуру микропроцессорной системы и содержит все обычные функциональные узлы:...
-
Как уже указывалось выше, в ПЭВМ в основном используются НГМД и НЖМД типа "винчестер". Накопители на гибких дисках служат для хранения программ и данных...
-
ДИСПЛЕЙ - Архитектура персонального компьютера. Характеристика основных устройств
Дисплей (монитор) - основное устройство для отображения информации, выводимой во время работы программ на ПЭВМ. Дисплеи могут существенно различаться; от...
-
Процессоры персональных компьютеров - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Несмотря на то, что первый персональный компьютер был выпущен фирмой Apple, сейчас персональными компьютерами называют в основном IBM PC-совместимые...
-
Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников - шине данных передается обрабатываемая информация, по другой - шине...
-
МАНИПУЛЯТОРЫ - Архитектура персонального компьютера. Характеристика основных устройств
Общение пользователя с ПЭВМ облегчается с помощью различных манипуляторов. Наиболее распространенным из них является так называемая мышь. Мышь...
-
ЛИТЕРАТУРА - Архитектура персонального компьютера. Характеристика основных устройств
1. Брябрин В. М. Программное обеспечение ЭВМ. - М.: Наука, 1988. 2. Вершинин ОД. Компьютер для школ, 1990. 3. Вычислительные машины, системы и сети / Под...
-
Введение. - Архитектура персонального компьютера. Характеристика основных устройств
Актуальность, цели и задачи настоящего реферата будут определены следующими реалиями и положениями. Появление в 1975 г. в США первого серийного...
-
Структура ПК - Устройство персонального компьютера
А) Основные устройства Из каких же основных элементов состоит современный ПК? Наиболее "весомой" частью любого компьютера является системный блок. Внутри...
-
Основные понятия - Микропроцессор как важнейший компонент персонального компьютера
Любое внешнее устройство, совершающее по отношению к микропроцессору операции ввода-вывода, можно назвать периферийным. Регистр представляет собой...
-
Карманные компьютеры против бумажных органайзеров Пространство для записей в бумажном органайзере ограничено. В КПК возможно простое расширение памяти,...
-
Введение - Микропроцессор как важнейший компонент персонального компьютера
Важнейший компонент любого персонального - это его микропроцессор. Данный элемент в большей степени определяет возможности вычислительной системы и,...
-
История развития персональных компьютеров - Устройство персонального компьютера
Как был изобретен компьютер. Слово "компьютер" означает "вычислитель", т. е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в...
-
Оперативная память - Программное обеспечение персональных компьютеров
Обьем доступной оперативной памяти - один из важнейших параметров любого компьютера. Оперативная память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или...
-
Персональные компьютеры в медицинской практике - Программное обеспечение персональных компьютеров
За последние 20 лет уровень применения компьютеров в медицине чрезвычайно повысился. Практическая медицина становится все более и более...
-
Чистка персонального компьютера, Разбираем системный блок - Чистка персонального компьютера
Если у вашего компьютера еще не прошел гарантийный срок, после его открытия вы можете рассчитывать на то, что продавец, причем вполне обоснованно, снимет...
-
Анализ архитектуры и структуры компьютера Структура компьютера будет проанализирована, начиная с истории. В настоящее время известно пять поколений...
-
Понятие шин - Внешние интерфейсы персонального компьютера (порты LPT, COM; шины SCSI, USB)
Общая характеристика Во время выполнения программы процессор постоянно обращается к оперативной памяти (ОП). Он выбирает из нее команды программы и...
-
Процессоры Cyrix, Процессоры Sun Microsystеms - Микропроцессоры для пользователя
Первая вещь из грандиозного проекта М1 компании Cyrix, наконец обнародована. Это процессор Сх 6х86-100, монстроподобный кристалл которого сложен и очень...
-
Архитектура построения баз данных - Разработка базы данных
СУБД имеют свою архитектуру. В процессе разработки и совершенствования СУБД предлагались различные архитектуры, но самой удачной оказалась трехуровневая...
-
Лекция 13. Архитектура и процессоры персональных компьютеров В этой лекции рассказывается об особенностях архитектуры персональных компьютеров семейства...
-
Винчестер, Дисковод, Собираем системный блок - Чистка персонального компьютера
Если вы захотите почистить винчестер, то с поверхности корпуса пыль можете смело удалять. А для того, чтобы очистить его внутри, Вам понадобится, как...
-
Промышленные карманные компьютеры - Карманный персональный компьютер
Универсальные карманные компьютеры за последний год получили уже достаточную известность. Однако мало кто знает, что существуют специализированные,...
-
Маркетинг, или как правильно выбрать компьютер. - Устройство персонального компьютера
Одна из функций маркетинга, как известно, это анализ и изучение рынка, в данном случае рынка пк в целях приобретения компьютера. Принципиальным отличием...
-
Принтеры и сканеры - Устройство персонального компьютера
Принтеры. Принтеры используют для вывода результатов работы (печати). В настоящее время используется четыре принципиальных схемы нанесения изображения на...
-
Кодирование информации -- процесс преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи,...
-
Для вызова ЛЕКСИКОНа следует набрать LEXICON или LEXICON имя редактируемого - файла Если в команде вызова ЛЕКСИКОНа указано имя файла, которого нет на...
-
Оборудование для беспроводных коммуникаций - Карманный персональный компьютер
Такое оборудование может иметь различные формы, но, скорее всего, в его основе лежит либо модем, либо высокочастотный (RF) приемопередатчик. Такие...
-
Платформа EPOC - Карманный персональный компьютер
К данной платформе относятся две операционные системы производства фирмы Psion Computing - SIBO и EPOC. SIBO (Sixteen Bit Organizer), 16-разрядная...
-
Запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора - это внутренняя память процессора. Регистры служат...
-
Центральные процессоры - Характеристика, классификация и принцип работы центральных процессоров
Центральный процессор (ЦП, или центральное процессорное устройство -- ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно -- центральное обрабатывающее...
-
К основным характеристикам принтеров можно относятся: - ширина каретки, которая обычно соответствую бумажному формату А3 или А4; - скорость печати,...
-
Растровое изображение. - Кодирование информации в компьютере
При помощи увеличительного стекла можно увидеть, что черно-белое графическое изображение, например из газеты, состоит из мельчайших точек, составляющих...
-
С 1756 кризисами пузырькового кипения DeviceNet устройств сканера. РС с PCNetwork инструментом конфигурации используется, чтобы формировать модуль...
Особенности процессора 486 - Архитектура и процессоры персональных компьютеров