Download - 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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Mikroprocesory
Historia mikroprocesorów
Początki1 Intel (układ 4004)
2 Garrett AiResearch’s (Central Air Data Computer)
3 Texas Instruments (TMS 1000)
3\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Mikroprocesory
Czym jest mikrokontroler?
Mikrokontroler = mikroprocesor + elementy dodatkowe w jednejobudowie
Obecnie najpopularniejszymi mikrokontrolerami są mikrokontrolery firmyAtmel.
8\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Mikroprocesory
Schemat mikroprocesora
9\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Mikroprocesory
Architektury
CISC (Complex Instruction Set Computers)
RISC (Reduced Instruction Set Computers)
VLIW (Very Long Instruction Word)
11\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Mikroprocesory
VLIW
VLIW (ang. Very Large Instruction Word Architectures) jest architekturąwywodzącą się z podejścia RISCowego, jednak z bardzo dużym słoweminstrukcji.
14\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Mikroprocesory
Schemat mikrokontrolera
15\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Mikroprocesory
Różnice pomiędzy mikrokontrolerem i mikroprocesorem
16\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Typy mikroprocesorów
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Typy mikroprocesorów
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Typy mikroprocesorów
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Typy mikroprocesorów
Monstrum IBM’a
21\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Typy mikroprocesorów
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Typy mikroprocesorów
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
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Typy mikroprocesorów
Rysunek: CMOS
24\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Typy mikroprocesorów
Rysunek: MOSFET25\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Typy mikroprocesorów
26\27
Wprowadzenie Troche bardziej na poważnie
Typy mikroprocesorów
27\27