Zagadnienie nr 13.

Rodzaje mikroprocesorów (opis

najbardziej charakterystycznych)

Budowa typowego mikroprocesora

Mikroprocesor jest to arytmetyczno-logiczna jednostka centralna

komputera. Termin mikroprocesor został użyty po raz pierwszy w
1972 r., jednakże "era" mikroprocesorów rozpoczęła się w 1971 r.
wraz z wprowadzeniem przez firmę Intel układu 4004
-mikroprogramowalnego komputera jednoukładowego.
Mikroprocesor nie jest jednostką zdolną do samodzielnej pracy, lecz
wymaga połączenia z innymi układami systemu komputerowego,
takimi jak pamięć oraz układy wejścia/wyjścia. Układy te są
połączone szynami: adresową, danych i sterującą. Procesor realizuje
operacje arytmetyczno - logiczne i koordynuje pracę całego
systemu. Pamięć przechowuje program w postaci ciągu instrukcji
oraz dane niezbędne do realizacji wykonywanego programu i wyniki
końcowe. Układy We/Wy pośredniczą w przekazywaniu informacji
pomiędzy procesorem, pamięcią a urządzeniami zewnętrznymi lub
innymi obiektami będącymi źródłem lub odbiorcą informacji
przetwarzanych w systemie. W standardowym procesorze możemy
wyróżnić trzy bloki połączone systemem szyn wewnętrznych.

Rodzaje mikroprocesorów

Architektura:

- RISC,
- CISC,

Liczba bitów przetwarzana w jednym takcie:

- 8-bitowe,
- 16-bitowe,
- 32-bitowe,
- 64-bitowe,

RISC(Reduced Instruction Set

Computer)

     Podstawowe cechy technologii RISC:
-         prosta struktura wewnętrzna – mniejsza
liczba tranzystorów – tańsza produkcja,
-         sterowanie przepływem rozkazów
realizowane sprzętowo (eliminacja
mikroprogramowania),
-         jednolity format rozkazów – zwykle stała
długość kodu,
-         szybsze działanie – ideałem jest
wykonywanie każdej instrukcji w jednym cyklu
procesora – zmniejszenie liczby taktów zegarowych
tworzących cykl maszynowy (przetwarzanie
potokowe),
-         większe możliwości wyboru przestrzeni
roboczej mikroprocesora.

RISC(Reduced Instruction Set

Computer)

-         łatwiej opracować, wytworzyć i
testować:
- nowy mikroprocesor,
- system operacyjny i
programy użytkowe,
- kompilator wysokiego
poziomu
-       wykonanie operacji równoważnej
wymaga większej ilości rozkazów w
procesorze RISC niż w procesorze CISC,
- dzięki prostszej strukturze wewnętrznej i
mniejszym wymiarom (mniej wydzielanego
ciepła) procesory RISC pracują szybciej.

CISC (Complex Instruction Set

Computer)

Procesor o złożonej liście rozkazów, mikroprogramowany.

Podstawowe cechy technologii CISC:
-

sterowanie przepływem rozkazu realizowane

programowo, łatwa realizacja sterowania wykonywania
złożonych rozkazów wymagających różnych okresów czasu.
-         wzrost liczby taktów zegarowych przy złożoności
instrukcji.
-         trudność z racjonalnym wykorzystaniem zasobów
procesora, przy prostych, elementarnych operacjach
wykorzystanie niewielkiej części zasobów procesora.
-         systematyka działania systemów operacyjnych i
programów użytkowych wskazuje na częste wykonywanie
operacji prostych i rzadkie złożonych.

Na początku były mikroprocesory 8-bitowe. Prekursorem

tego rodzaju procesorów był mikroprocesor 8080 firmy Intel.

Architektura 8080 była prosta.

Następcami mikroprocesorów 8-bitowych były 16-

bitowe.

Procesor 8086 został zaprezentowany przez firmę INTEL już w

1976 r. Był pierwszym procesorem 16- bitowym o wielkiej na

ówczesne czasy przestrzeni adresowej 1MB. W porównaniu z

mikroprocesorami 8-bitowymi cechuje go znacznie większa

moc przetwarzania. Częstotliwość zegara taktującego 5[MHz]

(standardowo) lub w wersjach specjalnych 8, 10 i 12[MHz].

Istotna cecha architektury 8086 jest duże podobieństwo do 8-

bitowego mikroprocesora 8080.

PROCESORY 80386 I 80386SX.

Procesor 80386 jest procesorem 32-bitowym

przeznaczonym do pracy w systemach wielozadaniowych.

Były rewolucją na rynku mikrokomputerów ze względu na

swoje wielkie możliwości. Swoją premierę miał w 1985 r. a

po raz pierwszy systemem komercyjnym w którym go

zainstalowano, był komputer COMPAQ Deskpro

386.Procesor 80386 może wykonywać ten sam zestaw

instrukcji co procesor 80286. Może być programowo

przełączony w tryb pracy chronionej, jak i z pracy chronionej

w tryb rzeczywisty. Jest to o tyle istotne, że 80286 przy

przejściu z pracy chronionej w tryb rzeczywisty wymagał

resetowania systemu. Procesor 386 może zaadresować 4GB

pamięci fizycznej. Procesor 80386SX jest zmodyfikowaną

wersją procesora 80386 mającą zmniejszoną szynę danych

do 16-bitów i szynę adresową do 24-bitów. Jest więc wersją

zapewniającą możliwości procesora 386, w tym tryb

wirtualnej rzeczywistej, ale za cenę 286. Ze względu na

wielkość magistrali adresowej może adresować 16MB

pamięci fizycznej.

Samo przejście na architekturę 64-bit nie powoduje automatycznego wzrostu

prędkości wykonywania aplikacji 32-bit. Co gorsze, jest duża szansa, że

zaobserwujemy efekt odwrotny, co wiąże się z pewną specyfiką języków wysokiego

poziomu, np. C, gdzie rozmiar instrukcji nie jest ściśle zdefiniowany i zależy od

rozmiaru wartości całkowitej (int), jakiejś danej oraz konkretnej implementacji.

Jeżeli w wyniku tego rozmiar wszystkich przeprowadzanych operacji zostanie

określony na 64-bit, to zajmą one więcej pamięci, w tym również cache. W

rezultacie aplikacja będzie wykonywała się dłużej. Problem rozwiązano definiując w

procesorze rozmiar danych aplikacji 32-bit na 32-bit!
Pierwszą korzyścią jest możliwość działania na o wiele większych liczbach. W

praktyce dotyczy to głównie kilku specjalizowanych aplikacji, stosowanych do

obliczeń naukowych (np. Maple). Drugą dziedziną, gdzie doskonale sprawdza się

architektura 64-bit jest kryptografia. Architektura 64-bit pozwala zapomnieć o

limicie 4 Gb pamięci RAM! W praktyce przestrzeń adresowa A64 określana jest

jedynie 48 bitami, ale i tak wynosi to 256 Tb. Serwer z możliwością obsługi jedynie

4 Gb RAM-u po prostu się "udusi”. Stosując różne triki oraz rejestry wewnętrzne o

większych niż 32-bit rozmiarach obecne procesory 32-bit są w stanie adresować do

16 TB pamięci. Tymczasem "prawdziwa" architektura 64-bit robi to o wiele szybciej

i zupełnie naturalnie, w ramach przypisanych sobie możliwości technicznych.

Wszystkie współczesne procesory maja

podobna architekturę oparta na
superskalarnym jądrze RISC (architektura
procesora o uproszczonej liście rozkazów).
Jeszcze kilka lat temu procesory zaliczano do
rodziny CISC (architektura procesora
wykorzystująca złożoną listę rozkazów).
Dzisiaj, dzięki zastosowaniu w nich techniki
przekodowywania rozkazów, uzyskano
ogromne zwiększenie wydajności procesora, a
RISC-owa konstrukcja umożliwia stosowanie
wysokich częstotliwości zegara.

Budowa przykładowego

mikroprocesora (AMD-K6)

Mikroarchitektura RISC86 procesora AMD-K6 MMX Enhanced oparta jest na projekcie

superskalarnym z odsprzężonym dekodowaniem i wykonywaniem instrukcji, który

umożliwia wysokie osiągi procesora tej klasy przy pełnej zgodności z

oprogramowaniem typu x86. Projekt zawiera liczne innowacyjne technologie, jak

przykładowo dekodowanie wielokrotne rozkazów x86, wewnętrzne operacje RISC

wykonywane w jednym cyklu zegara, nieuporządkowane przetwarzanie, dalsze

przekazywanie danych, spekulacyjne wykonywanie operacji i przemianowywanie

rejestrów. Ponadto procesor AMD-K6 operuje na równoległych układach dekodujących

i zawiera centralny program szeregujący operacje RISC86 (scheduler) oraz siedem

jednostek wykonawczych, umożliwiających superskalarne przetwarzanie rozkazów

typu x86. Te elementy zawarte są w szybkiej, sześciostopniowej jednostce

przetwarzania potokowego (six-stage pipeline). Mikroarchitektura RISC86 firmy AMD

przetwarza wewnętrznie zbiór rozkazów x86 na operacje RISC86. Argumenty operacji

o stałej długości, ujednolicone bloki rozkazów i obszerny zestaw rejestrów gwarantują

osiągniecie pełnej mocy RISC bez konieczności rezygnowania z kompatybilności z

systemem x86. Mikroarchitektura RISC86 umożliwia budowę szybkiego rdzenia
procesora i ułatwia bezpośrednie rozszerzenia z myślą o przyszłych projektach.

Zamiast bezpośredniego, kompleksowego przetwarzania rozkazów x86 o stałych

długościach od 1 do 15 bajtów, procesor AMD-K6 wykonuje proste operacje RISC86 o

stałej długości, nie naruszając przy tym optymalnych ustawień w programach

bazujących na systemie x86. Układ logiczny prognozowania skoków procesora AMD-

K6 pracuje w oparciu o tabelę z histogramem skoków, zawierającą 8.192 wpisy, oraz

docelowy bufor skokowy i stos z adresami skoków powrotnych. Zapewniają one

ponad 95 % celność prognozowania.