Mikroprocesszor architektúra: koncepció, típusok, előnyök és hátrányok

A mikroprocesszor több, egymáshoz csatlakoztatott blokkból áll, amelyek mindegyike egy meghatározott funkciót lát el. A projekt és a kapcsolat ezen blokkok nevezzük építészet. Azt a sebességet, amellyel a számítógép képes olvasni az utasításokat és elvégezni a megfelelő számításokat, a mikroprocesszor működési frekvenciája határozza meg. A gyártók nagy lépéseket tettek egy olyan architektúra kifejlesztésében, amely lehetővé teszi a számítógépek számára, hogy egyre kevésbé függjenek a frekvenciától, vagyis az alacsony frekvenciájú és sebességű mikrok több számítást és feladatot végezhetnek. A mikroprocesszoros architektúra fejlődése során egymagból többmagossá vált, amely egyszerre több információ feldolgozására képes.

A mikroprocesszor generációinak története

Az 1957-ben alapított Fairchild Semiconductor Company (Fair of Children ` s Semiconductors) 1959-ben feltalálta első integrált áramkörét, amely a mikroprocesszorok történetének kezdetét jelentette. 1968-ban Gordan Moore, Robert Noyce és Andrew Grove elhagyta a gyermek félvezető vásárt, és megalapították saját cégüket: Integrated Electronics (Intel). 1971-ben a vállalat feltalálta az első Intel 4004-et.

Ma már több generációs mikroprocesszoros architektúra létezik:

• 1. generáció 1971-től 1973-ig. 1971-ben az INTEL 4004 108 kHz-es órajel-frekvenciával. Ebben az időszakban a piacon más modelleket is használtak, köztük a Rockwell International PPS-4, az INTEL-8008 és a National semiconductors IMP-16, nem voltak TTL-kompatibilis eszközök.
• 2. generációs 1973-1978, végre nagyon hatékony 8 bites mikroprocesszorok, mint a Motorola 6800 és 6801, INTEL-8085 és Zilogs-Z80. Rendkívül gyors sebességük miatt drágák voltak, mivel az NMOS technológia gyártásán alapultak, ennek ellenére az ár ellenére nagyon népszerűek voltak.
• A mikroprocesszor architektúra 3. generációját 1979-től 1980-ig használták.Ebben az időszakban az INTEL 8086/80186/80286 és a Motorola 68000 és 68010 kifejlesztésre került. Ezeknek a processzoroknak a sebessége négyszer jobb volt, mint elődeik.
• 4. generáció 1981-től 1995 - ig-HCMOS-t használó 32 bites mikroprocesszorokat fejlesztettek ki. Az INTEL-80386 és a Motorola 68020/68030 népszerű processzorok voltak.
• Az 5. generáció 1995-ben indult és a mai napig tart. Ebben az időszakban egy modern mikroprocesszor 64 bites architektúrája került forgalomba, amely magában foglalja a Pentiumot, a Celeront, a Dual and Quad Core-T.

Az Intel Celeron és a Pentium létrehozásának mérföldkövei

Az Intel Celeront 1998 áprilisában mutatták be, és számos Intel x86 processzorhoz tartozik személyi számítógépekhez. A Pentium 2-en alapul, és minden IA-32 számítógépes programon futtatható.

Intel Celeron Története:

• 4 /01/2000 - Intel Celeron 533.0 MHz;
• 14/02/2000-Intel Celeron 450/500 MHz Mobil;
• 19/06/2000-mobil Intel Celeron alacsony feszültség, 500.0 MHz;
• 3/01/2001-Intel Celeron, 800 MHz;
• 2001-Intel Celeron (1,2 GHz);
• 2002-Intel Celeron mikroprocesszor architektúra (1.3, 2.10, 2.20 GHz);
• 2003-Intel Celeron 2/ 2 mobil processzor.55 GHz.
• 2004-Intel Celeron M 320 és 310 (1,3, 1,2 GHz);
• 2008-Celeron Core 2 Duó (Allendale).

A Pentium vezették be március 2, 1993. Megváltoztatta az Intel 486 mikroprocesszor architektúráját, a 4-es szám a mikroprocesszorok történetében a negyedik generáció mikroarchitektúráját jelzi. A Pentium az egymagos Intel x 86-ra utal, amely az ötödik generáció architektúráján alapul. A processzor neve a görög penta szóból származik, ami azt jelenti "öt".

Az eredeti Pentium processzort 1996-ban a Pentium MMX váltotta fel, 64 bites adatbusszal. Egy szabványos egyetlen átviteli ciklus egyszerre akár 64 bitet is képes olvasni vagy írni. A sorozat-olvasási és írási ciklusokat a Pentium processzorok támogatják. Ezeket gyorsítótárazási műveletekhez és 32 bájt (a Pentium gyorsítótár vonalának mérete) átviteléhez használják 4 óraciklusban. A gyorsítótárral végzett összes művelet kötegelt ciklus.

CPU tervezés

A mikroprocesszor architektúrája számos perifériát tartalmaz egyetlen chipen. Rendelkezik ALU-val (aritmetikai logikai egység), vezérlőegységgel, regiszterekkel, buszrendszerekkel és egy órával a számítási feladatok elvégzéséhez.

A mikroprocesszor egyetlen chipcsomag, amelyben számos hasznos funkciót integrálnak és gyártanak egyetlen szilícium félvezető chipen. Architektúrája egy központi processzorból, memóriamodulokból, egy rendszerbuszból és egy I / O egységből áll. A rendszerbusz különböző blokkokat csatlakoztat az információcsere megkönnyítése érdekében. Ezenkívül adatbuszokból, címekből és vezérlőkből áll a megfelelő adatcsere érdekében, amely a mikroprocesszoros architektúra mély koncepciójához kapcsolódik.

A központi processzor a következőkből áll egy vagy aritmetikai logikai egységek (ALU), regiszterek és vezérlőegységek. A regiszterek alapján a generációs számot is osztályozhatjuk. Az ALU kiszámítja az adatok összes aritmetikai és logikai műveletét, és meghatározza a mikroprocesszor méretét, például 16 bites vagy 32 bites.

A memória blokk tartalmazza a programot, valamint az adatokat, és fel van osztva processzor, elsődleges és másodlagos memória. A bemeneti és kimeneti egység hasonló perifériás kommunikációs eszközöket csatlakoztat egy mikroprocesszorral az információk fogadására és küldésére.

A mikro típusai a rendszerekben

Számos típusú mikroprocesszoros architektúra áll rendelkezésre a különböző rendszerekben való használatra:

1. Közös feldolgozók. Ez egy további mikroprocesszor, amely a fő mellett fut. Úgy tervezték, és optimalizált használatra egy adott feladat, és növeli a feldolgozási sebességet egyidejűleg dolgozik a fő. Erre példa lehet egy matematikai koprocesszor vagy lebegőpontos gyorsító.
2. Skaláris processzor végez számításokat egy szám vagy adathalmaz egy időben, hogy telepítve van a legtöbb modern számítógépek és az úgynevezett egyszálú egy utasítás stream vagy, röviden, SISD.
3. A modern mikroprocesszor architektúra CPU tömbje, más néven vektor, lehetővé teszi, hogy egy utasítás egyszerre működjön több adatponton. SIMD processzorként ismert, több adat egyetlen parancsával, széles körben használják az időjárás-előrejelzésben és a légáramlás modellezésében.
4. A párhuzamos processzor független mikrókat használ dolgozni ugyanazon a programon. A szóban forgó folyamat feladatokra oszlik, amelyek mindegyikét bármelyik kezelheti. Mindegyiket egy komplex operációs rendszer koordinálja. A programokat speciálisan párhuzamos feldolgozásra kell írni, különben néhányat nem lehet befejezni, amíg mások le nem záródnak, az aktuális folyamat eredményétől függően.

A mikroprocesszorok öt típusra oszthatók: CISC-komplex utasításkészlet, RISC mikroprocesszor a csökkentett utasításkészletből, speciális integrált áramkör ASIC, szuperskalár processzorok és digitális jel mikroprocesszorok DSP.

Ezeket a processzorokat videó kódolására és dekódolására vagy DAC (digitális-analóg) és A/C (analóg-digitális)konvertálására használják. Szükségük van egy mikroprocesszorra, amely kiváló a matematikai számításokban. A processzor chipjeit RADAR, házimozi, szonár, audiorendszerek, set-top boxok és mobiltelefonok használják.

Az Intel x86 fejlődése

Az Intel x86 architektúra az évek során fejlődött. 29 000 Tranzisztoros mikroprocesszorból 8086 quad - core Intel Core processzor 2 820 millió tranzisztort tartalmaz, ezért a szervezet és gyártási technológia drámaian megváltozott.

Az x86 architektúra fejlesztésének néhány csúcspontja:

1. A 8080 a világ első általános célú mikroprocesszora. Ez egy mikroprocesszoros memória architektúra egy 8 bites adatátviteli út a memóriába. Ezt használták az első .
2. 8086 személyi számítógép-egy 16 bites gép, amely sokkal erősebb, mint az előző, valós üzemmóddal és 1 MB címmemóriával rendelkezett. Szélesebb adatútvonala volt: 16 bites és nagyobb regiszterek, valamint a végrehajtás előtt kiválasztott parancsok gyorsítótára vagy sora.
3. 80286-16 MB címezhető memóriával rendelkezik, és két módot tartalmaz: az első generációs valós és 16 bites módot. Adatátviteli szélessége 16 bit, a szoftver modell szintén 16 bit.

80286: 16 bites mikropróza

Alapvetően ez a microprose, amely a 8086 kibővített változata. Ezért korábban, megérted 80286, minimális ötletekkel kell rendelkeznie a 8086-ról. Az Intel 8086 egy 16 bites mikroprocesszor, amelyet CPU-ként terveztek mikroszámítógépekben. A 16 bites kifejezés azt jelenti, hogy aritmetikai logikai egysége, belső regiszterei, utasításai 16 bites bináris kódokkal működnek. Van egy 20 bites cím busz és egy 16 bites adatbusz. Tehát ez azt jelenti, hogy hozzáférhet az 1048576 memóriahelyek bármelyikéhez, és képes adatokat olvasni vagy adatokat írni a memóriába és a portokba 16 vagy 8 Bit egy időben.

A 80286 mikroprocesszor architektúráját kifejezetten többfelhasználós és többfeladatos rendszerekhez tervezték. Négy szintű memóriavédelemmel rendelkezik, és támogatja az operációs rendszer. Teljesítménye óránkénti ciklusonként több mint kétszer olyan magas, mint elődei, az Intel 8086/8088. A komplex matematikai műveletek kevesebb óraciklust vesznek igénybe a 8086-hoz képest. Ez kiküszöböli busz multiplexelés és egy lineáris cím busz 24 címsor, amely közvetlenül át 16 MB memória. Ezt támogatja a memóriakezelő modul, amely révén 1 GB memóriát, más néven virtuálisat tud biztosítani. A processzor különféle beépített mechanizmusokat tartalmaz, amelyek megvédhetik a rendszerszoftvert a felhasználói programoktól, valamint korlátozhatják bizonyos memóriaterületekhez való hozzáférést.

A 80286-nak két működési módja van. Valós cím mód és védett virtuális cím mód. Alapvetően ebben a módban az egyik felhasználó nem zavarja a másikat. Szintén nem zavarhatják az operációs rendszert. Ezeket a funkciókat védelemnek nevezzük. A 80286 négy feldolgozó egységet tartalmaz:

1. Buszblokk.
2. Utasítás Blokk.
3. Végrehajtási egység.
4. Cím Blokk.

Amíg az aktuális utasítás fut, a BU előre kiválasztja az s parancsot, majd hat bájtos sorban tárolja. Az U funkciója a csiszolt utasítások dekódolása, valamint a három dekódolt utasítás sorának mentése. A címblokk kiszámítja az olvasási és írási műveletekhez küldendő memória vagy I/O eszközök címét. Mind a négy blokk párhuzamosan működik a processzor belsejében. Az átmeneti előrejelzés ezen megvalósítását a mikroprocesszoros architektúrában pipeliningnek nevezzük.

Az evolúció következő iránya a 80386 mikroprocesszor - az első 32 bites Intel gép. Architektúrájának köszönhetően képes volt versenyezni a néhány évvel korábban bevezetett mikroszámítógépek és nagygépek összetettségével és erejével. Ez volt az első processzor, amely támogatta a multitaskingot, és 32 bites védett módot tartalmazott. Végrehajtja a személyhívás fogalmát. Címezhető fizikai memóriája 4 GB, adatátviteli szélessége 32 bit.

80486: gyorsítótárazási technológia

Később 1989 , a micro 80486 belépett a piacra, és bevezette a gyorsítótárazási technológia és a futószalagos parancsfeldolgozás fogalmát. Tartalmaz egy írásvédelmi funkciót, és beépített matematikai koprocesszort kínál, amely komplex műveleteket hajt végre a fő processzor.

A micro 4 generáció fajtái:

1. Pentium -a szuperskalár technikák használatát vezették be, amikor több parancsot párhuzamosan kezdtek végrehajtani. A Page Size Expansion (PSE) funkció került, mint egy kisebb javulás oldal lapozás.
2. Pentium Pro-regiszter átnevezés, elágazási előrejelzés, adatáramlás-elemzés, spekulatív végrehajtás és egyéb csővezeték-szakaszok használatosak. Fejlett optimalizálási technikák a mikrokódban és a 2. szintű gyorsítótárban is hozzáadódtak. Megvalósítja a második generációs címfordítást, amelyben egy 32 bites virtuális címet lefordítanak egy 36 bites fizikai memória címre.
3. Pentium II. Képes volt hatékonyan feldolgozni a video -, audio-és grafikus adatokat az Intel MMX család mikroprocesszor architektúra technológiájával (multimédia adatkészlet).
4. Pentium III-SMD utasításokat tartalmaz (streaming kiterjesztések) és támogatja a 3D grafikus szoftvert. A processzor maximális órajele 1,4 GHz, és 70 új utasítást tartalmaz.
5. Pentium IV-a harmadik generáció címváltozásait valósítja meg, amely egy 48 bites virtuális memória címet 48 bites fizikai memória címévé alakít át. Tartalmaz más lebegőpontos fejlesztések multimédia.
6. A Core az Intel család architektúrájának első mikroprocesszora, kétmagos processzorral, amely két processzor megvalósítása egy chipen, további vizualizációs technológiával rendelkezik.
7. Core 2-kiterjeszti az architektúrát 64 bitesre, a Core 2 Quad pedig négy processzort biztosít egy chipen. A regiszterek halmaza, valamint a címzési módok 64 bitesek. 1,2 millió tranzisztor elektronikus áramkört tartalmaz. Működési frekvenciája a különböző változatoknál 25, 33, 66 és 100 MHz. Ez 3-5-szer gyorsabb, mint 80386. Alapvetően a chip két változatban kapható: DX és SX. A DX típusú változat egy 32 bites processzor, amely egy 168 tűs rácsrendszerben van elhelyezve, és 25-66 MHz-es órajelen képes működni.

A 486-os eszköz alapja

A mikroprocesszorokat felosztó architektúrák fogalma összetett, és olyan elemeket tartalmaz, mint a blokkdiagram, a hozzáférési eszközök, az interfészek bitmélysége, az adatformátum és a megszakítások.

A 486 processzor fontos további jellemzői a 386-hoz képest a következők:

1. Beépített matematikai koprocesszor. A 386-os rendszerben a matematikát egy külső eszközön hajtják végre, ezért a 486-os ilyen utasításokat háromszor gyorsabban hajtják végre.
2. 8 KByte kód és adat gyorsítótár a chipen.
3. Kiváló minőségű teljesítmény.
4. Végrehajtó Egység.
5. Vezérlő eszköz.
6. Busz Interfész Egység.
7. Kód Prefetch Blokk.
8. Parancs Dekódoló Egység.
9. Az n-mértékegységek szegmentálása.
10. Lapozó Blokk.
11. Cache Blokk.
12. Lebegőpontos blokk.
13. A kód prefetch blokk 32 bájtos várólistát tartalmaz tárolásra kibontott parancskódok.
14. A vezérlőegység tartalmaz egy vezérlő ROM-ot is a mikrokódok tárolására. A programban megadott címet logikai címnek nevezzük. Ezenkívül 4 réteg védelmet nyújt a feladatok és az operációs rendszer egymástól való elkülönítésére és védelmére.
15. Skálázható mikroprocesszor architektúra — a koncepció magában foglalja a windows-ban való munkát.
16. A keresési hívás modul egy szegmensen belüli objektum hívását biztosítja.
17. Fizikai cím. A tényleges RAM és ROM kapacitások, hogy létezik egy számítógép ismert, mint a fizikai memória.
18. A szegmentálás és a személyhívó egység egy memóriakezelő egység.

Risc blokkok

A RISC rövidített utasításkészlettel rendelkező számítógépet jelent, amely az építészeti processzor tervezési stratégiájának egyik típusa. A RISC mikroprocesszor architektúrája a processzor tervezésének és összeszerelésének módjára utal, és vonatkozhat a szilíciumhoz legközelebb eső hardverre vagy szoftverre, amelyen fut. Az utasításkészlet-architektúra (Isa) meghatározza az alapul szolgáló szoftvert.

A számítógép hardver architektúrája olyan kódot igényel, amely az utasításokat 0-ra és 1-re osztja, és amelyet a számítógép képes megérteni, más néven gépi kód. A processzor architektúrája teljesen eltérő lehet, az ISA szoftver ezt tükrözi. A különbség közöttük megtalálható a feladatok elvégzésében, például a regiszterfeldolgozás, a megszakítás, a memória címzés, a Külső bemenetek és kimenetek.

Más szavakkal, az egyik gépi kódja nem fog működni a másikon. Például az asztal a Windows verziója nem fog működni egy okostelefonon, mert az architektúra más. Bár a Microsoft ösztönzi a lehetséges integrációt egy operációs rendszerbe a asztali számítógépek, laptopok és táblagépek, kezdve a Windows 8 bevezetésével.

A processzorarchitektúráknak és a megfelelő Isa-knak több típusa létezik. Néhány példa a RISC-re: ARM, MIPS, SPARC és PowerPC. A Modern processzorok nagymértékben integráltak és gyorsabban futnak, így a RISC utasításkészletei egyre összetettebbé válnak a fejlett technológia előnyeinek kihasználása érdekében.

CISC architektúra

Rendben válasz az a kérdés, hogy mit jelent a CISC mikroprocesszor architektúrája, figyelembe kell venni a CISC megközelítést a végrehajtott utasítások számára. Fő feladata ebben a kérdésben a programonkénti hangerő minimalizálása, miközben feláldozza a ciklusok számát. A CISC-alapú számítógépeket úgy tervezték, hogy csökkentsék a memória költségeit. A nagy programoknak több memóriára van szükségük, ami növeli a költségeket. E problémák megoldása érdekében a programonkénti parancsok száma csökkenthető, ha több műveletet ágyaz be egyetlen utasításba, ezáltal összetettebbé téve azt.

A MUL két értéket tölt be a memóriából külön regiszterekbe a CISC-ben. A mikroprocesszor a lehető legkisebb utasításokat használja a hardver implementálásakor és a műveletek végrehajtásakor.

A fenti architektúrában használt fő kulcsszavak a következők:

1. Utasításkészlet-utasítások csoportja egy olyan program végrehajtására, amely az adatok manipulálásával irányítja a számítógépet. Forma: működési kód (működési kód) és operandus. A műveletek az adatok betöltésére és tárolására szolgáló utasítások. Az operandus egy memória regiszter.
2. A címzési módok az adatok elérésének egyik módja. A használt parancs típusától függően különböző típusú címzési módok léteznek, például közvetlen mód, amikor közvetlen adatokhoz férnek hozzá, vagy közvetett mód, ahol az adatok helyét érik el.
3. A processzor teljesítményét az alaptörvény határozza meg, és függ a parancsok számától, a CPI-től (ciklusok parancsonként) és az óra ciklusidejétől.

Előnyök és hátrányok

Az alkalmazott parancsok (utasítások) formátuma szerint megkülönböztethetők a mikroprocesszoros architektúrák osztályozásának fő típusai: RISC és CISC. A RISC architektúra előnye, hogy utasításkészlettel rendelkezik, így a magas szintű nyelvi fordítók hatékonyabb kódot hozhatnak létre. Ez az egyszerűség miatt lehetővé teszi a mikroprocesszorok térhasználatának szabadságát. Sok RISC processzor regisztereket használ argumentumok továbbítására és helyi változók tárolására. A függvények csak néhány paramétert használnak, és a processzorok nem használhatják a hívásutasításokat, ezért egy fix hosszúságú módszert használnak, amely könnyen lefordítható.

A művelet sebessége maximalizálható, a végrehajtási idő pedig minimalizálható. Kevesebb képzési formátumra, több utasításszámra, több címzési módra és jó skálázhatóságra van szükség. A skálázható mikroprocesszor-architektúra fogalma magában foglalja a regiszterablakok használatát, amely kényelmes mechanizmust biztosít a paraméterek átvitelére a programok között és az eredmények visszaadására. Hasonló mechanizmust valósítanak meg a SPARC-ban.

A RISC architektúra hátrányait az okozza, hogy Alapvetően a teljesítmény a RISC processzorok száma a programozótól vagy a fordítótól függ, ezért a fordító ismerete létfontosságú szerepet játszik a CISC kód RISC kódra történő megváltoztatásakor. Amikor a CISC-t RISC-kódba permutálja, az úgynevezett kódkiterjesztés, a méret növekedni fog. A kiterjesztés minősége ismét a fordítótól, valamint a gép utasításkészletétől függ. A RISC processzorok első szintű gyorsítótára szintén hátrány. Ezeknek a processzoroknak nagy a gyorsítótár memóriája a chipen. Benyújtásra nagyon gyors memóriarendszereket igényelnek az utasításokban.

A CISC architektúra előnyei - az új utasítások mikrokódolásának egyszerűsége-lehetővé tették a fejlesztők számára, hogy a CISC gépeket kompatibilisebbé tegyék. Ahogy mindegyik tökéletesebbé vált, kevesebb utasítás használható a feladatok végrehajtására.

A CISC architektúra hátrányai:

1. A gép teljesítménye lelassul, mivel a különböző utasítások által eltöltött idő eltérő lesz.
2. A meglévő utasításoknak csak 20% - át használják egy tipikus programozási eseményen, bár a valóságban vannak különféle speciális utasítások, amelyeket gyakran nem használnak.
3. A feltételkódokat a CISC utasításai állítják be minden parancs mellékhatásaként, amelynek beállítása időbe telik, és mivel a következő parancs megváltoztatja az állapotkód bitjeit, a fordítónak ellenőriznie kell a feltételkód bitjeit, mielőtt ez megtörténne.

Így rajzolhatunk egy vonalat, hogy az utasításkészlet architektúrája olyan környezet, amely kommunikációt biztosít a programozó és a hardver között. Az adatok végrehajtásának, másolásának, törlésének vagy szerkesztésének része a felhasználói parancsok egy adott típusú mikroprocesszoros architektúrához.