MIKROPROCESOR. (c) Ing. Josef Varačka. Title: XI 28 11:40 (1 of 8)

Transkript

1 MIKROPROCESOR 1/ Účel: Vzhledem k pokračující digitalizaci (používání zpracování dvojkového signálu) je žádoucí provozovat univerzální zařízení, které podle programu instrukcí informace zpracuje. Mikroprocesor hradlové pole, které podle daných příkazů instrukcí vykonává činnost. 2/ Vývoj: První procesory byly vzhledem k formátu dodaných a zpracovaných dat 4 bitové. Existovala sada instrukcí ve formátu čísla, navíc se používala i osmičková soustava. (Numerická kalkulačka 4 bitový procesor). Protože programování bylo nemotorné, byly vyvinuty v 70 tých letech 8 bitové procesory. Ty umí kromě čísel i znaky (8 bitů = 256 kombinací v jedné slabice). Řada 80xx (nebo Zilog Z 80). Následovaly procesory 16 ti bitové XT 8086, 80186, Další byla "půlbitová" technologie Architektura 16/32 bitů 16 bitů venku, 32 uvnitř. Technologie SX,DX. Plná 32 bitová technologie Nejnovější technologie Pentium X, Dual Core. Standard IBM. Advanced Micro Devices kopíruje a vylepšuje Intel... Title: XI 28 11:40 (1 of 8)

2 Von Neumannovo schéma: Pojmy: Aritmeticko logická jednotka (ALU, ALJ) : Jednotka procesoru, která provádí aritmetické (sčítání, odčítání, násobení, dělení) a logické (posuvy, logické AND a OR) operace. Registry : Velmi rychlé paměťové místo malé kapacity (jednotky bytů) umístěné většinou uvnitř procesoru. Jejich výhodou oproti paměti mimo procesor je to, že informace v nich jsou přístupné téměř okamžitě. Časování : Procesor je synchronní zařízení, to znamená, že ke generování jednotlivých řídících signálů potřebuje tzv. hodinový signál CLK (Clock). Ten je generován nižšími obvody. Díky tomuto hodinovému signálu je zabezpečeno správné časování činností probíhajících uvnitř procesoru. Počet period hodin potřebný pro provedení celé instrukce bývá označován jako instrukční cyklus. IRQ přerušení : Přerušení je signál, který k mikroprocesoru vyšle některé hardwarové zařízení nebo program. Mikroprocesor musí poté přerušit svoji činnost a povel zpracovat. Když skončí zpracování povelu, vrátí se zpět ke stavu před přerušením. Každý signál je identifikován svým číslem (0 15). DMA přerušení (Direct Memory Acces) : K tomuto přerušení je potřeba samostatného řadiče DMA. Periferní zařízení v tomto případě nežádá signálem IRQ mikroprocesor, ale řadič DMA o zprostředkování vstupu do paměti. Po splnění požadavku vyslaného řadičem k mikroprocesoru (požadavek nemusí být splněn), mikroprocesor vyšle signál zpět k řadiči a ten převezme úplnou kontrolu nad periferním zařízením. Přitom mikroprocesor nepřeruší svoji činnost, kterou prováděl před obdržením žádosti od řadiče. Když řadič ukončí obsluhu PZ, informuje o tom mikroprocesor. ROP (RISC Operation) : Jednoduchá "vnitřní instrukce", která se používá pro vykonání části instrukce. MMX (MultiMedia extention) : Rozšíření procesoru o 57 nových instrukcí pro rychlejší zpracování signálů. Technologie MMX využívá techniky SIMD, která dovoluje zpracovat mnoho informací během jediné instrukce. Možnosti MMX technologie využívají především aplikace pro práci s 2D/3D grafikou, zvukem, videem a kompresí dat. Přesahování (Overlapping) : Přesahování zpočívá v tom, že vykonávání některých instrukcí se v procesoru dokončuje v době náležející již další instrukci. Pipelining (řetězení) : Lze chápat jako přesahování procesoru, který se skládá z řady sériově řazených subprocesorů. Skalární procesor : Procesor s jedním mikroprocesorem se nazývá skalární procesor. Superskalární procesor : Procesor s více kanály pro zpracování instrukcí se nazývá superskalární procesor. Díky této technice je možné, aby procesor během jednoho taktu zpracoval více než jednu instrukci. Procesory RISC (Reduced Instruction Set Computer) : Je to procesor s redukovanou instrukční sadou. Architektura RISC realizuje správnost a jednoduchost souboru instrukcí, které dovolují opakované použití jednotlivých bloků obvodů pro provádění většiny instrukcí. Procesory CISC (Complet Instruction Set Computer) : Je to procesor s kompletním souborem instrukcí. Výsledkem této architektury je velký počet specializovaných typů instrukcí, které z časového pohledu mohou trvat až 300 strojových cyklů. Pozn.: u posledních procesorů dochází ke kombinaci RISC jádra a CISC procesoru. Title: XII 4 11:12 (2 of 8)

3 BIU (Bus Interface Unit) : Je to jednotka styku se sběrnicí. Zabezpečuje veškerou komunikaci mezi mikroprocesorem a jeho okolím. IPU (Instruction Prefetch Unit) : Je to jednotka předvýběru instrukcí. Plní 16 ti bytovou frontu předvybraných instrukcí pro jednotu dekódování instrukcí. IDU (Instruction Decode Unit) : Je to jednotka dekódování instrukcí. Má obdobnou funkci jako IPU. EU (Execution Unit) : Je to jednotka provádění instrukcí nebo též výkonná jednotka. Provádí vlastní všechny výpočty. SU (Segmentation Unit) : Je to jednotka segmentace. Tato jednotka provádí výpočet fyzické adresy. PU (Paging Unit) : Je to stránkovací jednotka. Je aktivní pouze v módu chráněné virtuální paměti v případě, že je aktivní mechanismus stránkování. V tomto případě převádí lineární adresu generovanou jednotkou SU na fyzickou adresu. ICU (Instruction Control Unit) : Je to jednotka pro řízení zpracování instrukcí. Obsahuje logiku, která je potřebná k zavádění a dokončování instrukcí mimo pořadí, přejmenování registrů. 3DNow! (Enhanced 3DNow! Technology) : AMD Athlon obsahuje rozšířenou 3DNow! technologii zaměřenou na 3D multimediální výkonnost. Obsahuje 21 originálních instrukcí a dalších 24 nových instrukcí, které pomocí SIMD zvyšují 3D výkonnost. Title: XII 4 11:14 (3 of 8)

4 Pentium MMX : Procesory Pentium s technologií MMX jsou založeny na vylepšené 0,35 mikronové technologii CMOS, která dovoluje dodat vyšší výkon s nižší spotřebou elektrické energie. Procesor obsahuje 4,5 mil. tranzistorů. Kromě posílení o instrukce MMX je obohacen o několik vylepšení vnitřní architektury. Zdvojená vyrovnávací paměť cache má 32 KB, výkonnější je předvídání větvení instrukcí. Pentium Pro : První CISC procesor s RISC jádrem. Jedná se o další generaci Pentia, nyní nazývanou P6, která byla uvedena na trh v r a skládá se ze dvou čipů (sek. cache L2 na samostatném čipu). Je zhotoven tech. 0,6 mikrometru, jeho CPU má 5,5 mil. tranzistorů s 15,5 v sekundární cache, poloviční frekvence zběrnice činí 75 MHz, má 5 prováděcích jednotek (2x celočíselné IU, 2x generátory adres AGU, 1x FPU pro operace s násobením, dělením a posunem), L1 cache 16 KB, L2 cache 512 KB, celá jednotka dodá 6 mikrooperací v jednom taktu. Z vnitřní architektury tohoto procesoru vychází stavba PII a PIII Pentium II : Pentium II v sobě spojuje pokrokové technologie procesoru PentiumPro s možnostmi technologie MMX. Technologie MMX umožňuje posílit výkon při zpracování zvuku, videa, a grafických aplikací, stejně jako zrychlit šifrování dat a jejich kompresi. Nová je technologie pouzdření přináší širokou dostupnost procesoru Pentium II a poskytuje dostatečnou rezervu pro zvyšování výkonu i pro další generace procesoru. Sběrnicová architektura procesoru Pentium II odstraňuje omezení, která existují při použití jediné sběrnice. Procesor je vyroben technologií 0,25 mikrometrů a obsahuje řádově 7,5 mil. tranzistorů. Technické parametry: takt 200 MHz, rychlost systémové sběrnice 100 MHz, L1 cache 32 KB, L2 cache 512 KB (používá 64 bitovou sběrnici). Intel Xeon a Intel Xeon MP: Procesor Intel Xeon byl vyvinut jako výkonný procesor pro použití především v počítačích sloužících jako velmi zatěžované servery a pracovní stanice. Jeho hlavní výhodou je jeho využití v multiprocesorových systémech (až 16 procesorů). Minulý rok byl představen firmou Intel procesor Intel Xeon MP, který pracuje na frekvenci 1,4 GHz až 1,6 GHz (až 4 procesorové). Pentium III a Pentium III s jádrem Coppermine : Procesor Pentium III je určen především uživatelům, kteří často pracují s Internetem nebo dalšími aplikacemi náročnými na rychlý přenos dat. V tomto ohledu je nejvýznamnější rozšíření Streaming SIMD Extensions. Vnitřní architektura je totožná s Pentiem II. Technické údaje: technologie 0,25 mikrometrů, takt 500 MHz až 600 MHz, jádro z 9,5 mil. tranzistorů, L1 cache 32 KB, L2 cache 512 KB, pouzdro SECC 2, napájecí napětí 2 V. Pentium III Coppermine je vyráběn 0,18mikronovou technologií, takt procesoru je 600 MHz až 1,2 GHz, L1 a L2 cache běží na frekvenci 133 MHz a jsou obdobné jako u standardního P III, pouzdro je FCPGA, napájecí napětí je 1,6 V. Intel Celeron : Je to levnější verze Pentia II s jádrem Covington, byla odstraněna L2 cache což se projevilo dost znatelně na výkonu. Tento nedostatek byl odstraněn až u Celeronu s jádrem Mendocino přidáním 128 KB on die cache, která pracuje na frekvenci procesoru. Oba procesory jsou vyráběny 0,25mikronovou tech., v čem se ale zásadně liší je počet tranzistorů (Covington 7,5 mil., Mendocino 19 mil.), dále jejich frekvence pracují na frekvenci 66 MHz. Pozdější verzí je Celeron s jádrem Coppermine. Je vyráběn 0,18mikronovou tech., má implementovanou sadu instrukcí SIMD, L1 cache 32 KB, L2 cache 128 KB, rychlost sběrnic je 100 MHz a takt procesoru je od 566 MHz až do 1,1 Ghz, podporuje technologii MMX. Dnes nejnovějším je Celeron s jádrem Willamette, který pracuje na frekvencích 1,2 až 1,7 GHz, velikost jeho L2 cache je 128 nebo 256 KB a je vyráběn 0,18mikronovou tech. Pentium IV : Je to Pentium vyráběné 0,18mikronouvou technologií s jádrem nazvaným Willamette, Technické parametry jsou asi takovéto: takt procesoru 1,4 až 2 GHz, L2 chase 256 KB, rychlost sběrnice 400 MHz, pouzdro Socket 478. Jeho nejnovější verze se vyrábí 0,13mikronovou tech. a pojmenování jeho jádra je Northwood. Jeho rozdíl spočívá ve vyšší frekvenci 2 až 2,533 Ghz, v rozšíření L2 cache na 512 KB a rychlost sběrnice vzrostla a to na 533 MHz. Jediné co se nezměnilo je pouzdro. V dnešních dnech jsou na trhu k dostání procesory P IV o kmitočtu až 3 GHz. Title: XII 4 11:15 (4 of 8)

5 Procesory firmy AMD: Procesor AMD K5 : Byl uveden na trh 17. června 1996 a využívá nezávisle vytvořený superskalární design založený na RISCovém procesoru vyráběném pomocí 0,35mikronové technologie, jinak je ale CISCový vyrobený 0,5mikronovou tech. Technické parametry jsou takovéto: obsahuje 4,3 mil. tranzistorů, cache 16KB pro data, 8KB pro instrukce, 32 bitový AB, 64 bitový DB a má o 30% větší výkon než Pentium. AMD K6 : Poté, co AMD koupila firmu NexGen, použila její architekturu procesoru do svého nového čipu AMD K6. Procesor AMD K6 je šesté generace a využívá superskalární architektury RISC 86, takže může vykonávat šest instrukcí současně. K dispozici má sedm paralelních jednotek, z toho jedna je jednotka MMX a jedna pro počítání v plovoucí čárce. Přímo v procesoru jsou obsaženy velké primární vyrovnávací paměti, instrukční a datová, po 32 KB. Součástí procesoru je vysoce výkonná aritmetická jednotka pro výpočty v plovoucí čárce a další jednotka pro provádění instrukcí MMX. AMD K6 2 : Procesor K6 2 je přímým nástupcem K6. Vnitřní architektura je sním totožná. U tohoto procesoru se poprvé objevuje technologie 3DNow!. Je to vlastní AMD instrukční sada pro zpracování videa a audia, která si získala oblibu programátorů. Hlavní rozdíl mezi MMX a 3DNow! je ten, že MMX je zaměřen na operace v pevné čárce, zatím 3DNow! rozšiřuje instrukční řadu o dalších 21 SIMD (Single Instruction Multiple Data) nových instrukcí zaměřených na operace v plovoucí čárce. To dovoluje zrychlení operací v plovoucí desetinné čárce. Během jednoho hodinového cyklu jsou tedy dokončeny čtyři instrukce. Procesor je vyráběn 0,25 mikronovou technologii a je zatím na frekvenci MHz. Obsahuje 9,3 milionů tranzistorů, opět obsahuje 64 KB L1 cache a sběrnice má takt 100 MHz. K6 III : Tento procesor je opět vybaven 3DNow!. Obsahuje 21,3 milionů tranzistorů a je vyráběn na 0,25 mikronové technologii. Procesor má dvě cache, L1 a L2. L1 je standardní výbava řady K6 a má 64 KB a L2 cache je o velikosti 256 KB, která běží plnou rychlostí procesoru. Vnitřní design cache, nazývaná TriLevel Cache, umožňuje 64 bitové čtení a zápis, 4 cestný přístup k L2 a 100 MHz sběrnice zajišťuje optimální přístup k externí L3 cache. Technologické problémy neumožnily jít společnosti AMD na vyšší frekvence, takže zůstalo pouze u dvou modelů 400 MHz a 450 MHz. K6 2+ : Jelikož procesor K6 III je výrobně dosti a jeho výkon nedosahuje tak vysoké úrovně rozhodla se firma AMD vyrobit nový odlehčený procesor. Oproti K6 III má L2 cache pouze 128 KB, dále obsahuje rozšířenou sadu instrukcí 3DNow! a je vyráběn 0,18mikronovou tech. K7 Athlon : AMD Athlon je založen na sedmé generaci architektury x86, která je vybavena superpipeliningem, devíti výstupovou superskalární architekturou optimalizovanou pro vysoké frekvence. AMD Athlon má rozdělenou rozlehlou dual portovou 128 KB L1 cache na 64 KB instrukční cache a 64 KB datovou cache, dále dvoucestnou 2048 položkovou stromovou predikční tabulku, pár paralelních dekodérů x86 instrukcí a několik celočíselných (integer) a plovoucí čárka plánovačů pro nezávislé superskalární spekulativní provádění instrukcí mimo pořadí (out of order). Tyto elementy jsou vloženy do jedné agresivně pracující pipeline, která obsahuje 10 stupňový celočíselný pipelining a 15 stupňový pro pohyblivou čárku. Procesor je vyráběn 0,18mikronovou tech. a obsahuje 22 mil. tranzistorů na ploše 102 mm. Podporuje technologie MMX, SSE, 3DNow! a u novějších typů i 3DNow Professional. Procesor AMD K7 Duron : Duron je levnou verzí Athlonu, která přišla na trh v červnu roku 2000 (původní označení Spitfire). Duron by měl nahradit K6 2, o kterém se již začíná mluvit jako o "mrtvém". První procesory byly na frekvencích 550, 600, 650 a 700 MHz a měly 64 KB on die L2 cache. Dnes jsou vyráběny 0,18mikrnovou technologií a mohou pracovat až na frekvenci 1,3 GHz. Dále jejich cache L1 má velikost 128 KB a L2 64 KB on die, podporují technologie MMX, SSE, 3DNow! a 3DNow! Professional. Title: XII 4 11:16 (5 of 8)

6 Procesory firem Cyrix a IBM : Procesor Cyrix/IBM 6x86MX (M2) : Je to CISC procesor, byl navrhnut firmou Cyrix Corp. a jeho dřívější označení je kódovým jménem M2. Začal se vyrábět z mnoha příčin v továrnách firmy IBM a ta začala tento čip prodávat pod vlastním jménem IBM 6x86MX. Charakteristika procesoru : Procesor 6x86MX je založen na technologii procesoru 6x86 a stejně jako jeho konkurenti Pentium II a K6 má multimediální podporu MMX. Skládá se ze čtyř hlavních funkčních bloků: Memory Management Unit (MMU jednotka pro správu paměti), vlastní CPU, Cache Unit (CU jednotka vyrovnávací paměti), Bus Interface Unit (BIU jednotka rozhraní sběrnice). CPU obsahuje superpipelined Integrer Unit (IU), Branch Target Buffer (BTB paměť adres skoků) a Floating Point Unit (FPU) Procesory firmy VIA Cyrix : Procesor VIA Cyrix III Procesory firmy Transmeta (Crusoe) : Procesor Crusoe TM3120 : Tento procesor pracuje na frekvenci 400 MHz a je určen zejména do přenosných specializovaných zařízení s připojením na Internet, které budou poháněny Linuxem. Procesor Crusoe TM5400 : Tento procesor pracuje na frekvenci MHz a je určen do běžných notebooků se systémem Windows. Má L1 cache 128 KB a L2 cache 256 KB. Title: XII 4 11:16 (6 of 8)

7 Procesory firmy DEC : Procesory ALPHA Procesory od firmy Silicon Graphics : Procesory MIPS Procesory od konsorcia firem IBM, Apple a Motorola : Procesory Power PC Procesory od firmy Sun : Procesory Sparc Procesory od firmy IBM : Procesor RISC System 6000 : Je to 32 bitový RISC procesor a jeho CPU tvoří jednotky ICU, FXU a FPU. Procesory firmy Motorola : Procesor Motorola : 32 bitový procesor, obsahuje 32 datových registrů a může přímo adresovat 4 GB paměti. Title: XII 4 11:16 (7 of 8)

8 Title: XII 18 11:22 (8 of 8)