Architektura mikroprocesoru: koncept, typy, výhody a nevýhody

Mikroprocesor se skládá z několika vzájemně propojených jednotek, přičemž každý z nich plní určitou funkci. Projekt a propojení těchto bloků se nazývá Architektura. Rychlost, jakou může počítač číst pokyny a provádět příslušné výpočty, je určena pracovní frekvencí mikroprocesoru. Výrobci dosáhli velkého pokroku ve vývoji architektury, což umožňuje počítačům stále méně záviset na frekvenci, což znamená, že mikro s nízkými frekvencemi a rychlostmi mohou provádět více výpočtů a úkolů. V procesu vývoje architektury mikroprocesoru se vyvinula z jednojádrového na vícejádrový, schopný zpracovávat více informací najednou.

Historie generací mikroprocesoru

Fairchild Semiconductor (veletrh dětských polovodičů), založený v roce 1957, vynalezl svůj první integrovaný obvod v roce 1959, který znamenal začátek historie mikroprocesorů. V roce 1968 Gordan Moore, Robert Noyce a Andrew Grove opustili veletrh dětských polovodičů a založili vlastní společnost: Integrated Electronics (Intel). V roce 1971 společnost vynalezla první Intel 4004.

Dnes existuje několik generací architektur mikroprocesorů:

• 1. generace od roku 1971 do roku 1973. V roce 1971 Intel 4004 taktovaný na 108 kHz. Během tohoto období byly použity další modely na trhu, včetně Rockwell International PPS-4, INTEL-8008 a National semiconductors IMP-16, které nebyly zařízeními kompatibilními s TTL.
• 2. generace od roku 1973 do roku 1978, implementovány velmi efektivní 8bitové mikroprocesory, jako jsou Motorola 6800 a 6801, INTEL-8085 a Zilogs-Z80. Vzhledem k jejich ultrarychlé rychlosti byly drahé, protože byly založeny na výrobě technologie NMOS, přesto byly i přes cenu velmi populární.
• 3. generace architektury mikroprocesoru byla používána v letech 1979 až 1980.V tomto období byly vyvinuty INTEL 8086/80186/80286 a Motorola 68000 a 68010. Rychlosti těchto procesorů byly čtyřikrát lepší než u předchůdců.
• 4. generace od roku 1981 do roku 1995-byly vyvinuty 32bitové mikroprocesory využívající HCMOS. Populární procesory byly Intel-80386 a Motorola 68020/68030.
• 5. generace začala v roce 1995 a nyní. V tomto období uvedla na trh 64bitovou architekturu moderního mikroprocesoru, mezi něž patří Pentium, Celeron, Dual a Quad Core.

Milníky pro Intel Celeron a Pentium

Intel Celeron byl představen v dubnu 1998 a odkazuje na řadu procesorů Intel x86 pro osobní počítače. Je založen na Pentiu 2 a může běžet na všech počítačových programech IA-32.

Historie Intel Celeron:

• 4 /01/2000 - Intel Celeron 533.0 Mhz;
• 14/02/2000-mobilní Intel Celeron 450/500 Mhz;
• 19/06/2000-mobilní Intel Celeron nízké napětí, 500.0 Mhz;
• 3/01/2001-Intel Celeron, 800 MHz;
• 2001-Intel Celeron (1,2 GHz);
• 2002-Architektura mikroprocesoru Intel Celeron (1.3, 2.10, 2.20 GHz);
• 2003-mobilní procesor Intel Celeron 2/ 2.55 GHz.
• 2004-Intel Celeron M 320 A 310 (1,3, 1,2 GHz);
• 2008-Celeron Core 2 DUO (Allendale).

Pentium bylo představeno 2. března 1993. Změnil architekturu mikroprocesoru Intel 486, číslo 4 označuje mikroarchitekturu čtvrté generace v historii mikroprocesorů. Pentium označuje jednojádrový Intel x 86, který je založen na architektuře páté generace. Název tohoto procesoru pochází z řeckého slova penta, což znamená "pět".

Původní Procesor Pentium byl nahrazen Pentium MMX v roce 1996 a má datovou sběrnici 64 bitů. Standardní jediný přenosový cyklus může číst nebo zapisovat až 64 bitů najednou. Cykly čtení a zápisu Burst jsou podporovány procesory Pentium. Používají se pro operace ukládání do mezipaměti a předávání 32 bajtů (velikost řádku mezipaměti Pentium) za 4 pruhy. Všechny operace s mezipamětí jsou dávkové smyčky pro něj.

Návrh centrálního procesoru

Architektura mikroprocesoru má mnoho periferií vyrobených na jednom čipu. Má ALU( aritmeticko-logický blok), řídicí jednotku, registry, sběrnicové systémy a hodiny pro provádění výpočetních úkolů.

Mikroprocesor je jediný čipový balíček, ve kterém je integrována řada užitečných funkcí a vyrobena na jediném křemíkovém polovodičovém čipu. Jeho architektura se skládá z centrální procesorové jednotky, paměťových modulů, systémové sběrnice a I/O jednotky. Systémová sběrnice spojuje různé bloky, aby usnadnila výměnu informací. Kromě toho se skládá z datových sběrnic, adres a správy pro řádnou výměnu dat, s čím souvisí hloubková představa architektury mikroprocesoru.

Centrální procesorová jednotka se skládá z jednoho nebo více aritmeticko-logických bloků (Alu), registrů a řídicí jednotky. Na základě registrů lze také klasifikovat číslo generace. Alu vypočítá všechny aritmetické i logické operace na datech a určí velikost mikroprocesoru, například 16bitový nebo 32bitový.

Paměťová jednotka obsahuje program i data a je rozdělena na procesor, primární a sekundární paměť. Vstupní a výstupní jednotka spojuje podobné komunikační periferní zařízení s mikroprocesorem pro příjem a odesílání informací.

Typy micro v systémech

Existuje několik typů architektur mikroprocesorů dostupných pro použití v různých systémech:

1. Společné procesory. Jedná se o další mikroprocesor běžící vedle hlavního. Je navržen a optimalizován pro použití v konkrétním úkolu a zvyšuje rychlost zpracování simultánní prací s hlavním úkolem. Příkladem toho může být matematický koprocesor nebo akcelerátor s plovoucí desetinnou čárkou.
2. Skalární procesor provádí výpočty pro jedno číslo nebo datovou sadu najednou, je nainstalován ve většině moderních počítačů a je znám jako jednoproudý s jedním vláknem příkazů nebo zkráceně SISD.
3. Pole CPU architektury moderního mikroprocesoru, známé také jako vektor, umožňuje jedné instrukci pracovat současně na více datových bodech. Je známý jako SIMD procesor s jedním příkazem více dat, široce používaný při předpovídání počasí a modelování proudění vzduchu.
4. Paralelní procesor používá nezávislé mikro pro provoz přes stejný program. Dotyčný proces je rozdělen na úkoly, každý z nich lze zpracovat některým z nich. Všechny jsou koordinovány složitým operačním systémem. Programy musí být speciálně napsány pro paralelní zpracování, jinak některé nebudou moci být dokončeny, dokud se nezavřou další v závislosti na výsledku aktuálního procesu.

Mikroprocesory jsou rozděleny do pěti typů: CISC-Complex Instruction Set, RISC mikroprocesor se zkrácenou instrukční sadou, specializovaný integrovaný obvod ASIC, superskalární procesory a digitální signální mikroprocesory DSP.

Tyto procesory se používají pro kódování a dekódování videa nebo pro převod DAC (digitálně-analogový) a A/C (analogově-digitální). Potřebují mikroprocesor, který je vynikající v matematickém výpočtu. Čipy tohoto procesoru se používají v radaru, domácích kinech, sonaru, zvukových systémech, set-top boxech a mobilních telefonech.

Vývoj Intel x86

Architektura Intel x86 se vyvíjela roky. Z 29 000 tranzistorových mikroprocesorů 8086 čtyřjádrový Procesor Intel Core 2 obsahuje 820 milionů tranzistorů, kvůli kterým organizace a výrobní technologie drasticky změněno.

Některé z vrcholů vývoje architektury x86:

1. 8080-první univerzální mikroprocesor na světě. Má 8bitovou paměťovou architekturu mikroprocesoru přenosem dat do paměti. Byl použit v prvním PC.
2. 8086-16bitový stroj, mnohem výkonnější než ten předchozí, měl skutečný režim a adresní Paměť 1 MB. Měla širší datovou cestu: 16bitové a větší registry a mezipaměť nebo frontu příkazů, které byly vybrány před spuštěním.
3. 80286 - má adresovatelnou paměť 16 MB a obsahuje dva režimy: skutečný a 16bitový režim první generace. Má šířku přenosu dat 16 bitů a softwarový model je také 16 bitů.

80286: 16bitový microprose

V podstatě je to microprose, je rozšířená verze 8086. Proto před, jak porozumět 80286, musíte mít minimální představu o 8086. Intel 8086 je 16bitový mikroprocesor určený pro použití jako CPU v mikropočítačích. Termín 16 bitů znamená, že jeho aritmetická logická jednotka, interní registry, instrukce jsou navrženy pro práci s 16bitovými binárními kódy. Má 20bitovou adresní sběrnici a 16bitovou datovou sběrnici. To tedy znamená, že může přistupovat k některému z 1048576 paměťových míst a může číst data nebo zapisovat data do paměti a portů po 16 nebo 8 bitech najednou.

Architektura mikroprocesoru 80286 je speciálně navržena pro víceuživatelský a multitaskingový systém. Má čtyři úrovně ochrany paměti a podporuje operační systém. Jeho výkon je více než dvakrát vyšší za takt než u předchůdců Intel 8086/8088. Složité matematické operace zabírají méně pruhů ve srovnání s 8086. Eliminuje multiplexování sběrnice a má lineární adresní sběrnici s 24 adresními řádky, která může přímo přenášet 16 MB paměti. To je podporováno modulem pro správu paměti a prostřednictvím něj může poskytnout 1 GB paměti, známou také jako virtuální. Procesor obsahuje různé vestavěné mechanismy, které mohou chránit systémový software před uživatelskými programy a omezit přístup do některých oblastí paměti.

Existují dva provozní režimy pro 80286. Režim skutečné adresy a režim zabezpečené virtuální adresy. V zásadě v tomto režimu Jeden uživatel nezasahuje do druhého. Také nemohou zasahovat do operačního systému. Tyto funkce se nazývají Ochrana. 80286 obsahuje čtyři zpracovatelské jednotky:

1. Blok pneumatiky.
2. Blok instrukce.
3. Blok provedení.
4. Blok adresy.

Zatímco je spuštěna aktuální instrukce, BU předběžně vybere příkaz s a uloží jej do fronty šesti bajtů. Funkce U je dešifrovat vyleštěné instrukce a uložit frontu tří dekódovaných instrukcí. Blok adresy vypočítá adresu paměti nebo i/o zařízení, která mají být odeslána pro čtení a zápis. Všechny čtyři jednotky běží paralelně uvnitř procesoru. Tato implementace predikce přechodu v architektuře mikroprocesorů se nazývá pipeline.

Další směry vývoje je mikroprocesor 80386 - první 32bitový stroj Intel. Díky své architektuře dokázala konkurovat složitosti a síle mikropočítačů a sálových počítačů představených před několika lety. Byl to první procesor, který podporoval multitasking a obsahoval 32bitový chráněný režim. Implementuje koncept výměny. Má adresovatelnou fyzickou paměť 4 GB a šířku přenosu dat 32 bitů.

80486: technologie ukládání do mezipaměti

Později v 1989 mikro 80486 vstoupil na trh a představil koncept technologie ukládání do mezipaměti a zpracování potrubí příkazů. Obsahoval funkci ochrany proti zápisu a nabídl vestavěný matematický koprocesor, který provádí složité operace z hlavní procesor.

Odrůdy mikro 4 generace:

1. Pentium-použití superskalárních technik bylo zavedeno, když začalo paralelně provádět více příkazů. Funkce rozšíření velikosti stránky (PSE) byla přidána jako menší vylepšení stránkování.
2. Pentium Pro - používá se přejmenování registrů, predikce větví, analýza datových toků, spekulativní provádění a další kroky potrubí. Byly také přidány pokročilé optimalizační techniky v mikrokódu a mezipaměť úrovně 2. Implementuje překlad adres druhé generace, ve kterém je 32bitová virtuální adresa přeložena na 36bitovou adresu fyzické paměti.
3. Pentium II. Byl schopen efektivně zpracovávat video, audio a grafická data pomocí technologie mikroprocesorové architektury rodiny Intel MMX (multimediální datová sada).
4. Pentium III-obsahuje pokyny SMD (streaming Extensions) a podporuje 3D grafický software. Má maximální rychlost hodin procesoru 1,4 GHz a obsahuje 70 nových pokynů.
5. Pentium IV-implementuje změny adres třetí generace, které převádějí 48bitovou adresu virtuální paměti na 48bitovou adresu fyzické paměti. Obsahuje další vylepšení s plovoucí desetinnou čárkou pro média.
6. Core je první mikroprocesor architektury rodiny Intel s dvoujádrovým procesorem, což je implementace dvou procesorů na stejném čipu a má další vizualizační technologii.
7. Core 2-rozšiřuje architekturu na 64bitové a jádro 2 Quad poskytuje čtyři procesory na jedné matrici. Sada registrů i režimy adresování jsou 64bitové. Obsahuje elektronický obvod 1,2 milionu tranzistorů. Jeho provozní frekvence pro jeho různé verze jsou 25, 33, 66 a 100 MHz. To je 3-5krát rychlejší než 80386. V zásadě je čip k dispozici ve dvou verzích: DX a SX. Verze typu DX je 32bitový procesor umístěný v 168kolíkovém mřížkovém poli a může pracovat s hodinami od 25 do 66 MHz.

Základ 486. zařízení

Koncept architektur, do kterých jsou mikroprocesory rozděleny, je komplexní a zahrnuje prvky, jako je strukturální schéma, přístupové prostředky, bitová hloubka rozhraní, Formát dat a přerušení.

Důležité další funkce 486 CPU ve srovnání s 386 jsou následující:

1. Vestavěný matematický koprocesor. V systému 386 je matematika implementována na externím zařízení, proto jsou takové instrukce v 486 prováděny třikrát rychleji.
2. 8 KB kódu a mezipaměť dat na čipu.
3. Vysoce konkurenční provedení.
4. Výkonný blok.
5. Řídicí jednotka.
6. Blok rozhraní sběrnice.
7. Blok předběžného načtení kódu.
8. Blok dekódování příkazů.
9. Segmentace n-jednotek.
10. Stránkovací blok.
11. Blok mezipaměti.
12. Blok s plovoucí desetinnou čárkou.
13. Blok předběžného načtení kódu obsahuje frontu 32 bajtů pro skladování extrahované příkazové kódy.
14. Řídicí jednotka také obsahuje řídicí ROM pro ukládání mikrokódů. Adresa uvedená v programu se nazývá logická adresa. Poskytuje také 4 úrovně ochrany pro izolaci a ochranu úkolů a operačního systému před sebou.
15. Škálovatelná Architektura mikroprocesoru-koncept znamená práci v oknech.
16. Modul vyhledávacího volání poskytuje volání objektu v rámci segmentu.
17. Fyzická adresa. Skutečné kapacity RAM a ROM existující v počítači jsou známé jako fyzická paměť.
18. Segmentace a stránkovací jednotka je jednotka pro správu paměti.

Bloky RISC

RISC znamená počítač se zkrácenou instrukční sadou a je typem strategie návrhu architektonického procesoru. Architektura mikroprocesoru RISC označuje způsob plánování a sestavení procesoru a může být relevantní buď pro hardware, nebo pro software nejblíže křemíku, na kterém běží. Architektura instrukční sady (ISA) definuje základní software.

Hardwarová architektura počítače vyžaduje kód, který rozděluje instrukce na 0 a 1 A který může počítač pochopit, také známý jako strojový kód. Architektura procesoru může být zcela odlišná a software ISA to bude odrážet. Rozdíl mezi nimi lze nalézt ve způsobu provádění úkolů, jako je zpracování registrů, přerušení, adresování paměti, externí vstupy a výstupy.

Jinými slovy, strojový kód pro jeden nebude fungovat na druhém. Například stolní verze Windows nebude fungovat na smartphonu, protože architektura je jiná. Přestože Microsoft podporuje možné sloučení do jednoho operačního systému pro stolní počítače počítače, notebooky a tablety, počínaje zavedením systému Windows 8.

Existuje několik typů architektur procesorů a odpovídajících Isa. Některé příklady RISC jsou ARM, MIPS, SPARC a PowerPC. Moderní procesory jsou silně integrovány a běží rychleji, takže instrukční sady RISC jsou stále složitější, aby využily pokročilé technologie.

CISC Architektura

Proto odpovědět na otázku, co je chápáno architekturou mikroprocesoru CISC, je třeba zvážit přístup CISC k počtu provedených pokynů. Jeho hlavním úkolem v této věci je minimalizovat objem na program a obětovat počet cyklů. Počítače založené na architektuře CISC mají snížit náklady na paměť. Velké programy potřebují více paměti, což zvyšuje náklady. K vyřešení těchto problémů lze počet příkazů na program snížit vložením mnoha operací do jedné instrukce, čímž je obtížnější.

MUL načte dvě hodnoty z paměti do samostatných registrů v CISC. Mikroprocesor používá při implementaci hardwaru minimální možné pokyny a provádí operace.

Hlavní klíčová slova použitá v dané architektuře:

1. Sada instrukcí - skupina instrukcí k provedení programu, který směruje počítač manipulací s daty. Formulář: operační kód (operační kód) a operand. Operace jsou instrukce používané pro stahování a ukládání dat. Operand je registr paměti.
2. Režimy adresování jsou způsob přístupu k datům. V závislosti na typu použitého příkazu jsou režimy adresování různých typů, například přímý režim, kdy jsou přístupná přímá data, nebo nepřímý režim, kde je přístup k umístění dat.
3. Výkon procesoru je dán základním zákonem a závisí na počtu příkazů, CPI (cykly na příkaz) a čase hodinového cyklu.

Výhody a nevýhody

Podle formátů použitých příkazů (instrukcí) lze rozlišit hlavní typy z klasifikace architektur mikroprocesorů: RISC a CISC. Výhody architektury RISC jsou, že má instrukční sadu, takže překladače jazyků na vysoké úrovni mohou vytvářet efektivnější kód. To umožňuje svobodu využití prostoru na mikroprocesorech kvůli jednoduchosti. Mnoho procesorů RISC používá registry k předávání argumentů a ukládání místních proměnných. Funkce používají pouze několik parametrů a procesory nemohou používat instrukce volání, a proto používají metodu pevné délky, kterou lze snadno streamovat.

Rychlost operace může být maximalizována a doba běhu může být minimalizována. Vyžaduje méně formátů školení, více čísel instrukcí, více režimů adresování a dobrou škálovatelnost. Pojem škálovatelná Architektura mikroprocesoru zahrnuje použití registrových oken, které poskytují pohodlný mechanismus pro předávání parametrů mezi programy a návrat výsledků. Podobný mechanismus implementovaný ve SPARC.

Nedostatky architektury RISC jsou způsobeny hlavně výkon procesory RISC závisí na programátorovi nebo kompilátoru, takže znalost kompilátoru hraje zásadní roli při změně kódu CISC na kód RISC. Při přeskupení CISC do kódu RISC, nazývaného rozšíření kódu, se zvětší velikost. A kvalita tohoto rozšíření bude opět záviset na kompilátoru i na sadě příkazů stroje. Nevýhodou je také mezipaměť procesorů RISC první úrovně. Tyto procesory mají velkou mezipaměť paměti na samotném čipu. Pro podání pokyny vyžadují velmi rychlé paměťové systémy.

Výhody architektury CISC-snadné mikrokódování nových pokynů - umožnily vývojářům, aby stroje CISC byly kompatibilnější. Jak se každá stala dokonalejší, bylo možné k implementaci úkolů použít méně instrukcí.

Nevýhody architektury CISC:

1. Výkon stroje se zpomaluje, protože čas strávený různými pokyny se bude lišit.
2. Pouze 20% existujících instrukcí se používá v typické programovací události, i když ve skutečnosti existují různé specializované instrukce, které se často nepoužívají.
3. Kódy podmínek jsou nastaveny instrukcemi CISC jako vedlejší účinek každého příkazu, který vyžaduje čas na toto nastavení, a protože následující příkaz mění bity stavového kódu, musí kompilátor zkontrolovat bity stavového kódu, než k tomu dojde.

Je tedy možné nakreslit čáru, že architektura sady příkazů je prostředí, které umožňuje komunikaci mezi programátorem a hardwarem. Součástí provádění a kopírování dat, mazání nebo úpravy jsou vlastní příkazy pro konkrétní druh architektur mikroprocesorů.