stringtranslate.com

х87

x87 — это подмножество инструкций архитектуры x86 , связанное с плавающей точкой . Оно возникло как расширение набора инструкций 8086 в виде дополнительных сопроцессоров с плавающей точкой , которые работают в тандеме с соответствующими процессорами x86. Эти микросхемы имеют имена, заканчивающиеся на «87». Это также известно как NPX (расширение числового процессора). Как и другие расширения базового набора инструкций, инструкции x87 не являются строго необходимыми для построения рабочих программ, но обеспечивают аппаратную и микрокодовую реализацию общих числовых задач, позволяя выполнять эти задачи намного быстрее, чем соответствующие процедуры машинного кода . Набор инструкций x87 включает инструкции для основных операций с плавающей точкой, таких как сложение, вычитание и сравнение, а также для более сложных числовых операций, таких как вычисление функции тангенса и ее обратной функции, например.

Большинство процессоров x86, начиная с Intel 80486, имели эти инструкции x87, реализованные в основном ЦП, но этот термин иногда все еще используется для обозначения этой части набора инструкций. До того, как инструкции x87 стали стандартом в ПК, компиляторам или программистам приходилось использовать довольно медленные библиотечные вызовы для выполнения операций с плавающей точкой, метод, который все еще распространен в (недорогих) встроенных системах .

Описание

Регистры x87 образуют восьмиуровневую глубокую нестрогую стековую структуру от ST(0) до ST(7) с регистрами, к которым может напрямую обращаться любой операнд, используя смещение относительно вершины, а также которые могут быть помещены в стек и извлечены из него. (Эту схему можно сравнить с тем, как стековый кадр может быть как помещён в стек/извлечён из стека, так и проиндексирован.)

Существуют инструкции для помещения, вычисления и извлечения значений на вершину этого стека; унарные операции (FSQRT, FPTAN и т. д.) затем неявно обращаются к самому верхнему ST(0), в то время как двоичные операции (FADD, FMUL, FCOM и т. д.) неявно обращаются к ST(0) и ST(1). Нестрогая модель стека также позволяет двоичным операциям использовать ST(0) вместе с прямым операндом памяти или с явно указанным регистром стека, ST( x ), в роли, аналогичной традиционному аккумулятору (комбинированный целевой и левый операнд). Это также может быть обращено на основе инструкция за инструкцией с ST(0) в качестве немодифицированного операнда и ST( x ) в качестве целевого . Кроме того, содержимое в ST(0) можно обменять с другим регистром стека с помощью инструкции, называемой FXCH ST( x ).

Эти свойства делают стек x87 пригодным для использования в качестве семи свободно адресуемых регистров плюс выделенный аккумулятор (или в качестве семи независимых аккумуляторов). Это особенно применимо к суперскалярным процессорам x86 (таким как Pentium 1993 года и более поздних), где эти инструкции обмена (коды D9C8..D9CF h ) оптимизированы до нулевого штрафа по часам за счет использования одного из целочисленных путей для FXCH ST( x ) параллельно с инструкцией FPU. Несмотря на то, что это естественно и удобно для программистов на языке ассемблера , некоторые авторы компиляторов обнаружили, что сложно создавать автоматические генераторы кода , которые эффективно планируют код x87. Такой интерфейс на основе стека потенциально может минимизировать необходимость сохранения переменных scratch в вызовах функций по сравнению с интерфейсом на основе регистров [1] (хотя исторически проблемы проектирования в реализации 8087 ограничивали этот потенциал. [2] [3] )

x87 обеспечивает двоичную арифметику с плавающей точкой одинарной точности, двойной точности и 80-битной двойной расширенной точности в соответствии со стандартом IEEE 754-1985 . По умолчанию все процессоры x87 используют 80-битную двойную расширенную точность внутри себя (чтобы обеспечить постоянную точность для многих вычислений, см. обоснование конструкции IEEE 754 ). Таким образом, заданная последовательность арифметических операций может вести себя немного иначе по сравнению со строгим FPU одинарной или двойной точности IEEE 754. [4] Поскольку это иногда может быть проблематичным для некоторых получисловых вычислений, написанных для предположения двойной точности для корректной работы, чтобы избежать таких проблем, x87 можно настроить с помощью специального регистра конфигурации/состояния для автоматического округления до одинарной или двойной точности после каждой операции. С появлением SSE2 инструкции x87 уже не так важны, как раньше, но по-прежнему важны как высокоточный скалярный блок для числовых вычислений, чувствительных к ошибкам округления и требующих точности мантиссы 64 бита и расширенного диапазона, доступных в 80-битном формате.

Производительность

Количество тактов для примеров типичных инструкций FPU x87 (здесь показаны только версии регистр-регистр). [5]

Нотация A ... B (от минимума до максимума) охватывает вариации синхронизации, зависящие от состояния переходного конвейера и выбранной арифметической точности (32, 64 или 80 бит); она также включает вариации, вызванные числовыми случаями (такими как количество установленных битов, ноль и т. д.). Нотация L → H отображает значения, соответствующие самой низкой (L) и самой высокой (H) максимальным тактовым частотам, которые были доступны.

* Эффективная нулевая тактовая задержка часто возможна посредством суперскалярного выполнения.
§ 5 МГц 8087 был оригинальным процессором x87. По сравнению с типичными программно реализованными подпрограммами с плавающей точкой на 8086 (без 8087), коэффициенты были бы даже больше, возможно, еще в 10 раз (т. е. правильное сложение с плавающей точкой на языке ассемблера может потребовать более 1000 циклов).

Производители

Компании, которые разработали или изготовили [a] блоки с плавающей точкой, совместимые с Intel 8087 или более поздними моделями, включают AMD ( 287 , 387 , 486DX , 5x86 , K5 , K6 , K7 , K8 ), Chips and Technologies ( сопроцессоры Super MATH ), Cyrix ( FasMath , Cx87SLC , Cx87DLC и т. д., 6x86 , Cyrix MII ), Fujitsu (ранний Pentium Mobile и т. д.), Harris Semiconductor (производил процессоры 80387 и 486DX ), IBM (различные конструкции 387 и 486 ), IDT ( WinChip , C3 , C7 , Nano и т. д.), IIT ( 2C87 , 3C87 и т. д.), LC Technology ( сопроцессоры Green MATH ), National Semiconductor ( Geode GX1 , Geode GXm и т. д.), NexGen ( Nx587 ), Rise Technology ( mP6 ), ST Microelectronics (производство 486DX , 5x86 и т. д.), Texas Instruments (производство процессоров 486DX и т. д.), Transmeta ( TM5600 и TM5800 ), ULSI ( сопроцессоры Math·Co ), VIA ( C3 , C7 и Nano и т. д.), Weitek ( 1067 , 1167 , 3167 и 4167 ) и Xtend ( 83S87SX-25 и другие сопроцессоры).

Архитектурные поколения

8087

8087 был первым математическим сопроцессором для 16-разрядных процессоров , разработанным Intel . Он был разработан для работы в паре с микропроцессорами Intel 8088 или 8086. (Более ранние процессоры Intel 8231 и 8232 с плавающей точкой, продаваемые для использования с процессором i8080, на самом деле были лицензированными версиями процессоров AMD Am9511 и Am9512 FPU от 1977 и 1979 годов. [6] )

80С187

Версия Intel 80C187 16 МГц

Хотя в оригинальном техническом описании 1982 года для ( основанных на NMOS ) 80188 и 80186, похоже, упоминаются конкретные математические сопроцессоры [7] , оба чипа фактически были сопряжены с 8087.

Однако в 1987 году для работы с обновленным процессором Intel 80C186 на базе КМОП компания Intel представила математический сопроцессор 80C187 [8] . Интерфейс 80C187 к основному процессору такой же, как у 8087, но его ядро ​​по сути такое же, как у 80387SX, и, таким образом, полностью соответствует IEEE 754 и способно выполнять все дополнительные инструкции 80387. [9]

80287

80287 ( i287 ) — математический сопроцессор для серии микропроцессоров Intel 80286. Модели Intel включали варианты с указанными верхними пределами частоты в диапазоне от 6 до 12 МГц. Версия NMOS была доступна на 6, 8 и 10 МГц. [ 10] Доступная версия 10 МГц числового сопроцессора Intel 80287-10 стоила 250  долларов США в партиях по 100 штук. [11] Эти коробочные версии 80287, 80287-8 и 80287-10 были доступны по цене 212, 326 и 374 долларов США соответственно. Была коробочная версия 80C287A, доступная по цене 457 долларов США. [12] Другие модели 287 с производительностью, подобной 387, — это Intel 80C287, созданная с использованием CHMOS III, и AMD 80EC287, изготовленная по технологии CMOS компании AMD , использующей только полностью статические затворы.

Позже последовал i80287XL с микроархитектурой 387SX с 287 выводами, [13] i80287XLT, специальная версия, предназначенная для ноутбуков, а также другие варианты. Он содержит внутренний множитель 3/2, так что материнские платы, которые запускали сопроцессор на 2/3 скорости ЦП, могли вместо этого запускать FPU на той же скорости ЦП. И 80287XL, и 80287XLT предлагали на 50% лучшую производительность, на 83% меньшее энергопотребление и дополнительные инструкции. [14]

80287 работает с микропроцессором 80386 и изначально был единственным сопроцессором, доступным для 80386, до появления 80387 в 1987 году. Однако 80387 является более предпочтительным из-за его более высокой производительности и больших возможностей его набора инструкций.

80387

Изображение кристалла процессора Intel 80387

80387 ( 387 или i387 ) — первый сопроцессор Intel, полностью соответствующий стандарту IEEE 754-1985 . Выпущенный в 1987 году [15] , через два года после чипа 386, i387 отличается значительно улучшенной скоростью по сравнению с предыдущими сопроцессорами Intel 8087/80287 и улучшенными характеристиками тригонометрических функций. Он был доступен по цене 500 долларов США в партиях по 100 штук. [16] Вскоре после этого он стал доступен через Intel's Personal Computer Enhancement Operation по розничной цене 795 долларов США. [17] Версия с частотой 25 МГц была доступна в розничном канале по цене 1395 долларов США. [18] Математический сопроцессор Intel M387 соответствовал стандарту MIL-STD-883 Rev. C. Это устройство было протестировано, включая температурный цикл от -55 до 125 °C, герметичность и расширенный прожиг. Эта военная версия работает на частоте 16 МГц. Эта военная версия была доступна в 68-выводном PGA и в четырехъядерном плоском корпусе. Эта военная версия была доступна за 1155 долларов США в количестве 100 единиц для версии PGA. [19] Была доступна версия 387DX на 33 МГц, и она имела производительность 3,4 мегастоуна в секунду . [20] Следующие коробочные версии математического сопроцессора 387DX на 16, 20, 25 и 33 МГц были доступны по цене 570, 647, 814 и 994 долларов США соответственно. [21] Инструкции FPTAN и FPATAN процессоров 8087 и 80287 ограничены аргументом в диапазоне ±π/4 (±45°), а 8087 и 80287 не имеют прямых инструкций для функций SIN и COS. [22] [ необходима полная цитата ]

Без сопроцессора 386 обычно выполняет арифметику с плавающей точкой через (относительно медленные) программные процедуры, реализованные во время выполнения через программный обработчик исключений . Когда математический сопроцессор сопряжен с 386, сопроцессор выполняет арифметику с плавающей точкой на аппаратном уровне, возвращая результаты намного быстрее, чем (эмулирующий) вызов программной библиотеки.

i387 совместим только со стандартным чипом i386, который имеет 32-битную шину процессора. Более поздний удешевленный i386SX, который имеет более узкую 16-битную шину данных , не может взаимодействовать с 32-битной шиной i387. Для i386SX требуется собственный сопроцессор, 80387SX , который совместим с более узкой 16-битной шиной данных SX. Intel выпустила маломощную версию сопроцессора 387SX. [23]

80487

i487SX

i487SX (P23N) был продан как сопроцессор с плавающей точкой для машин Intel i486SX . Фактически он содержал полноценную реализацию i486DX . При установке в систему i486SX i487 отключал основной ЦП и брал на себя все операции ЦП. i487 принимал меры для обнаружения присутствия i486SX и не функционировал без оригинального ЦП. [24] [25] [ проверка не удалась ]

80587

Nx587 был последним FPU для x86 , который производился отдельно от CPU, в данном случае Nx586 от NexGen .

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Компании без собственных производственных мощностей проектируют чип и полагаются на компанию, занимающуюся его производством, в то время как компании, занимающиеся его производством, могут заниматься как проектированием, так и производством самостоятельно.

Ссылки

  1. ^ Уильям Кахан (2 ноября 1990 г.). «О преимуществах стека 8087» (PDF) . Неопубликованные заметки курса, Отделение компьютерных наук, Калифорнийский университет в Беркли . Архивировано из оригинала (PDF) 18 января 2017 г.
  2. ^ Уильям Кахан (8 июля 1989 г.). «Как следовало обрабатывать переполнение/недополнение стека Intel 8087» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 июня 2013 г.
  3. ↑ Джек Воэр (1 ноября 1997 г.). «Беседа с Уильямом Кэханом».
  4. ^ Дэвид Моннио (май 2008 г.). «Подводные камни проверки вычислений с плавающей точкой». Труды ACM по языкам программирования и системам . 30 (3): 1–41. arXiv : cs/0701192 . doi :10.1145/1353445.1353446. S2CID  218578808.
  5. ^ Цифры взяты из технических описаний соответствующих процессоров, руководств по программированию и руководств по оптимизации.
  6. ^ "Арифметические процессоры: тогда и сейчас". www.cpushack.com . 23 сентября 2010 г. Получено 3 мая 2023 г.
  7. ^ Intel (1983). Справочник по микропроцессорам и периферийным устройствам Intel. стр. 3-25 (iAPX 186/20) и 3-106 (iAPX 188/20).
  8. ^ "CPU Collection – Model 80187". cpu-info.com . Архивировано из оригинала 23 июля 2011 . Получено 14 апреля 2018 .
  9. ^ "80C187 80-БИТНЫЙ МАТЕМАТИЧЕСКИЙ СОПРОЦЕССОР" (PDF) . Ноябрь 1992 . Получено 3 мая 2023 .
  10. ^ Йошида, Стейси, «Математические сопроцессоры: поддержание вашего компьютера в рабочем состоянии», Intel Corporation, Microcomputer Solutions, сентябрь/октябрь 1990 г., стр. 16
  11. ↑ Корпорация Intel, «Новый компонент продукта: 32-разрядный микропроцессор с небольшой помощью друзей», Специальные решения по 32-разрядным проблемам, ноябрь/декабрь 1985 г., стр. 13.
  12. ^ Корпорация Intel, «Улучшение персональных компьютеров», Операция по улучшению персональных компьютеров, Приказ № 245.2, 10-89/75K/AL/GO, октябрь 1989 г., стр. 4
  13. ^ Корпорация Intel, «Новый продукт: Системы: Модуль SnapIn 386 для модернизации ПК PS/2», Microcomputer Solutions, сентябрь/октябрь 1991 г., стр. 12
  14. ^ Йошида, Стейси, «Математические сопроцессоры: поддержание вашего компьютера в рабочем состоянии», Intel Corporation, Microcomputer Solutions, сентябрь/октябрь 1990 г., стр. 16
  15. ^ Моран, Том (1987-02-16). «Микросхемы для повышения производительности 386 машин, заявляет Intel». InfoWorld . Том 9, № 7. стр. 5. ISSN  0199-6649.
  16. ^ "Новые компоненты фокуса продукта: 32-разрядный вычислительный двигатель на полной скорости вперед". Решения . Корпорация Intel: 10. Май–июнь 1987 г.
  17. ^ "NewsBit: Intel 80387 доступен через розничные каналы". Решения . Корпорация Intel: 1. Июль–август 1987.
  18. ^ Intel Corporation, «NewsBits: 25 MHZ 80387 доступен через розничные каналы», Microcomputer Solutions, сентябрь/октябрь 1988 г., стр. 1
  19. ^ Корпорация Intel, «В центре внимания: Компоненты: Военизированные периферийные устройства поддерживают микропроцессор M386», Microcomputer Solutions, март/апрель 1989 г., стр. 12
  20. ^ Льюнс, Энн, «Архитектура Intel386 здесь, чтобы остаться», Intel Corporation, Microcomputer Solutions, июль/август 1989 г., стр. 2
  21. ^ Корпорация Intel, «Улучшение персональных компьютеров», Операция по улучшению персональных компьютеров, Приказ № 245.2, 10-89/75K/AL/GO, октябрь 1989 г.
  22. ^ Документация Borland Turbo Assembler.
  23. ^ Льюнс, Энн, «Архитектура Intel386 здесь, чтобы остаться», Intel Corporation, Microcomputer Solutions, июль/август 1989 г., стр. 2
  24. ^ Intel 487SX в бесплатном онлайн-словаре по вычислительной технике
  25. ^ "Intel 80487". www.cpu-world.com . Получено 9 июня 2021 г. .

Внешние ссылки