PC Anatomy microprocessors

Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie

Anatomia PCOmówienie Histori i budowy mikroprocesorów

Maciej Lichoń

Wrocław University of TechnologyFaculty of Fundamental Problems of Technology

14 marca 2010

1\27


Mikroprocesory

Co to w ogóle jest?

Mikroprocesor

Układ cyfrowy wykonany jako pojedynczy układ scalony o wielkimstopniu integracji zdolny do wykonywania operacji cyfrowych wedługdostarczonego ciągu instrukcji.

Mikroprocesor wymaga dodatkowych podzespołów co pokażemy później.

2\27


Mikroprocesory

Historia mikroprocesorów

Początki1 Intel (układ 4004)

2 Garrett AiResearch’s (Central Air Data Computer)

3 Texas Instruments (TMS 1000)

3\27


Mikroprocesory

Intell

4004

Jednym z twórców idei mikroprocesora był Marcian „Ted” Hoff z firmyIntel. Wpadł on na pomysł by zamiast 12 niezależnych układówscalonych do kalkulatorów zaprojektować jeden, który będzie w staniepełnić funkcje wszystkich tych elementów razem wziętych. Rezultatemprac Hoffa oraz Federico Fagginiego było powstanie 15.11.1971 r.pierwszego komercyjnego mikroprocesora czterobitowego o nazwie 4004.Zawierał on 2300 tranzystorów i wykonany był w technologii p-MOS(dodatkowo istnieje jeszcze MOS i n-MOS, technologie wykonaniatranzystorów w układzie).

4\27


Mikroprocesory

CADC

W 1968 roku Garret został zaproszony do pracy przy tworzeniukomputera dla myśliwca Grumman F-14 Tomcat, który swoimimożliwościami miał przewyższać sterujące lotem systemy elektroniczneużywane w Marynarce Wojennej USA. Projekt został ukończony w 1970roku i używał opartego na technologii MOS układu scalonego (chipset)jako rdzenia CPU. Projekt był mniejszy i dużo bardziej niezawodny niżsystemy mechaniczne, z którymi konkurował i został wprowadzony wewszystkich wczesnych modelach Tomcata. Jednakże był on takzaawansowany, że Marynarka Wojenna odmówiła publikacji jego projektuaż do roku 1997. Z tego też powodu używany chipset CADC i MP944 niesą powszechnie znane nawet obecnie.

5\27


Mikroprocesory

Texas Instruments

TMS 1000

Pierwszy jednoukładowy komputer na pojedynczym układzie scalonymumieszczono mikrokontroler, pamięć RAM, pamięć ROM, układywejścia-wyjścia oraz zegar taktujący. Był to mikrokomputer oparty jakopierwszy o technologie wykonania MOS - (Metal Oxide Semiconductor)

6\27


Mikroprocesory

Mikrokontroler

Definicja

Mikrokontroler (skrót ang. MCU lub µC) - system mikroprocesorowyzrealizowany w postaci pojedynczego układu scalonego, zawierającegojednostkę centralną (CPU), pamięć RAM oraz na ogół pamięć programu irozbudowane układy wejścia-wyjścia. Określenie mikrokontroler pochodziod głównego obszaru zastosowań, jakim jest sterowanie urządzeniamielektronicznymi.

Mikroprocesor

wymaga układów dodatkowych m. in.:

generatora sygnału

układ zerowania

układ wejścia/wyjścia

pamięć

7\27


Mikroprocesory

Czym jest mikrokontroler?

Mikrokontroler = mikroprocesor + elementy dodatkowe w jednejobudowie

Obecnie najpopularniejszymi mikrokontrolerami są mikrokontrolery firmyAtmel.

8\27


Mikroprocesory

Schemat mikroprocesora

9\27


Mikroprocesory

Opis podzespołów

ALU – jednostka arytmetyczno-logiczna

CU – układ sterowania (Control Unit)Rejestry

PC – licznik rozkazów (Program Counter)IR – rejestr instrukcji (Instruction Register)SP – wskaźnik stosu (Stack Pointer)

10\27


Mikroprocesory

Architektury

CISC (Complex Instruction Set Computers)

RISC (Reduced Instruction Set Computers)

VLIW (Very Long Instruction Word)

11\27


Mikroprocesory

Charakteryzacja CISC

Występowanie złożonych, specjalistycznych rozkazów (instrukcji) -które do wykonania wymagają od kilku do kilkunastu cykli zegara

Szeroka gama trybów adresowania

Przeciwnie niż w architekturze RISC rozkazy mogą operowaćbezpośrednio na pamięci (zamiast przesłania wartości do rejestrów ioperowania na nich)

Powyższe założenia powodują iż dekoder rozkazów jestskomplikowany

12\27


Mikroprocesory

RISC

Zredukowana liczba rozkazów do niezbędnego minimum. Ich liczba wynosikilkadziesiąt, podczas gdy w procesorach CISC sięga setek. Upraszcza toznacznie dekoder rozkazów.

Redukcja trybów adresowania, dzięki czemu kody rozkazów są prostsze,bardziej zunifikowane, co dodatkowo upraszcza wspomniany wcześniejdekoder rozkazów. Ponadto wprowadzono tryb adresowania, któryogranicza ilość przesłań - większość operacji wykonuje się wg schematu:rejestrC = rejestrA operacja rejestrB .

Ograniczenie komunikacji pomiędzy pamięcią, a procesorem. Przedewszystkim do przesyłania danych pomiędzy pamięcią, a rejestrami służądedykowane instrukcje, które zwykle nazywają się load (załaduj z pamięci),oraz store (zapisz do pamięci); pozostałe instrukcje mogą operowaćwyłącznie na rejestrach. Schemat działania na liczbach znajdujących się wpamięci jest następujący: załaduj daną z pamięci do rejestru, na zawartościrejestru wykonaj działanie, przepisz wynik z rejestru do pamięci.

Zwiększenie liczby rejestrów (np. 32, 192, 256, podczas gdy np. warchitekturze x86 jest zaledwie 8 rejestrów), co również ma wpływ nazmniejszenie liczby odwołań do pamięci.

13\27


Mikroprocesory

VLIW

VLIW (ang. Very Large Instruction Word Architectures) jest architekturąwywodzącą się z podejścia RISCowego, jednak z bardzo dużym słoweminstrukcji.

14\27


Mikroprocesory

Schemat mikrokontrolera

15\27


Mikroprocesory

Różnice pomiędzy mikrokontrolerem i mikroprocesorem

16\27


Typy mikroprocesorów

Mikroprocesory dzielimy na

Ze względu na wielkość rejestru

8 - mio bitowe

16 - bitowe

32 - bitowe

64 - bitowe

mieszane (np. AMD turion)

Dodatkowo współczesne mikroprocesory są tworzone w technologiwielordzeniowej. Aby dodatkowo zwiększyć wydajność mikroprocesorywielordzeniowe łączy się w magistrale.

17\27



Popularne mikroprocesory 8-mio bitowe

Intel 8080(1974 r.)

Motorola 6800(1975 r.)

Zilog Z80(1976 r.) stosowane w ZX Spectrum, pierwszymkomputerze domowym

18\27



Popularne mikroprocesory 16 bitowe

TMS9900(1976 r.)

65815 (1982 r.) - zawdzięczamy mu Super Nintendo

8086(1979 r.) - jego standard jest stosowany do dzisiaj, dzięki niemupowastały procesory rodziny x86(32 bit)

19\27



Aktualne procesory 32 i 64 bitowe

AMD Turion (32, 64 bit) - dzięki jego zastosowaniu działa programwyświetlający tą prezentacje

AMD Phenom II X4 (64 bit)

IBM’s eight-core Power7 processor (64 bit) - najszybszy dostępnyaktualnie procesor . Produkowany jest w technologii 45nm(odległość pomiędzy tranzystorami) , a dzięki obsłudzeTurboCore jego prędkość jest w pełni skalowalna. 3 – 4.13 GHz.

20\27



Monstrum IBM’a

21\27



Granice rozwoju ogranicza światło

Jak rozwijano technikę odległości pomiędzy tranzystorami

10 µm — 1971

3 µm — 1975

1.5 µm — 1982

1 µm — 1985

800 nm (0.80 µm) — 1989

600 nm (0.60 µm) — 1994

350 nm (0.35 µm) — 1995

250 nm (0.25 µm) — 1998

180 nm (0.18 µm) — 1999

130 nm (0.13 µm) — 2000 - granica ultrafioletu

90 nm — 2002 - techniki dielektryczne

65 nm — 2006

45 nm — 2008 - zapoczątkowany przez intell i722\27



Technologie wykonania

CMOS (ang. Complementary MOS)

technologia wytwarzania układów scalonych, głównie cyfrowych,składających się z tranzystorów MOS o przeciwnym typie przewodnictwa ipołączonych w taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzitylko jeden z nich.

23\27



Rysunek: CMOS

24\27



Rysunek: MOSFET25\27



26\27



27\27

Documents

PC Anatomy microprocessors