4. Procesor a jeho konstrukce. Vývojové typy, činnost procesoru

Procesor a jeho konstrukce. Vývojové typy, činnost procesoru
První obvod nazvaný mikroprocesor uvedla na trh firma Intel v roce 1970. Šlo o 4bitový procesor
Intel 4004.
V roce 1972 byl MCS8 prvním 8bitovým mikroprocesorem.
V roce 1972 také došlo k rozšíření datové sběrnice 4004 na 8 bitů - vznikl procesor 8008.
V roce 1974 přišla firma Intel s typem 8080, který měl ale malou zatěžovací schopnost vstupů a
výstupů, proto byl vyráběn ve verzi 8080A.:
16b adresová sběrnice - 64kB paměti
2 Mhz - 400 000 operací/s
Výrobou se začali zabývat i další výrobci (Texas Instruments, NEC, Hitachi),
1975 uvedla Motorola svůj 8bitový procesor MC 6800 (Atari, Amiga, Apple)
1976 Zilog Z-80 na bázi zdokonalení procesoru Intel 8085A - ZX-Spectrum
Intel 8085 1976
1978 procesor Intel 8086 se stal základem výrobní řady 80x86
16b datová sběrnice
20b adresová sběrnice
5,8,10 Mhz 0,33 - 0,66 MIPS
1979 procesor Intel 8088 znamenal technicky krok zpět, šlo o marketingový tah. Byly jím
vybavovány počítače označované IBM PC (IBM5150) a později IBM PC XT
vnitřní datová sběrnice 16b, ven vyvedena 8b - sérioparalelní přenášení slov, menší výkon než 8086
Architektura procesoru 8088 (8086):
Obsahuje dvojici subprocesorů
EU - Execution Unit - výkonný, vykonává instrukce
BIU - Bus Interface Unit - jednotka styku se sběrnicí, vybírá instrukce, čte operandy, zapisuje
výsledky, přednačítá 4 byty instrukcí
Nevýhody procesoru 8088: málo paměti (1 MB), nízký výpočetní výkon, nemá obvodovou podporu
pro multitasking, cyklus sběrnice trval 4 a více period hodin.
Intel 80286
1982- 16bitový procesor 2. generace ( vychází z 8086, ale asi 2,3 x výkonější)
24b adresová sběrnice (16MB reálně, virtuálně až 1GB)
4 stupňové zřetězení
virtuální paměť až 1GB pro multitasking
16b datová sběrnice cyklus sběrnice trval 2 periody hodin
8 - 25 Mhz
130000 tranzistorů
Byly jím vybavovány počítače IBM PC AT
Architektura 286:
4 zřetězené subprocesory
BU - Bus Unit - jednotka styku se sběrnicí, obsahuje registry, budiče datové a adresové sběrnice,
obvody pro generování řídících signálů sběrnice a její řízení, obvody pro komunikaci proc. - koproc.
a frontu pro předvýběr 6 bytů instrukcí
IU - (Instruction Unit) - jednotka dekódování instrukcí
dekóduje instrukce připravené ve frontě BU a obsahuje i frontu 3 instrukcí připravených ke
zpracování velmi urychluje činnost procesoru.
EU - Execution Unit - výkonná jednotka, výkonnější 86
AU - Adress Unit - adresovací jednotka, vytvoření fyzické adresy trvá 1 takt díky vyrovnávací
paměti
dnes se používá jako řídící obvod spotřební a domácí elektroniky
2 módy činnosti:
mód reálné paměti - 1MB, jako 86, ale rychlejší díky architektuře
mód chráněné virtuální paměti - programy jsou od sebe izolovány, jako by měli celý systém pro
sebe
software v této době zaostával za hardwarem, teprve postupně se začaly objevovat doplňky k MS DOSu - správa extended a expanded paměti a v roce 1988 byly uvedeny MS Windows
INTEL 80386
představen 1985 - plně 32bitový procesor
1986 8036DX
20 - 40 MHZ
275000 tranzistorů
příkon 1,8W
2,5* výkon 80286
patice PGA (132) 32b adresová sběrnice - 4 GB reálné paměti
3 módy činnosti:
mód reálných adres kvůli kompatibilitě s 86/88 1MB reálné paměti
mód chráněné virtuální paměti 4MB r.p. 64TB v.p.
mód virtuálního procesoru 86/88
Architektura 386:
6 zřetězených subprocesorů
BIU - zabezpečuje veškerou komunikaci procesoru s okolím
IPU - Instruction Prefetch Unit - přednačítá frontu 16 bytů instrukcí (průměrná délka instrukce
32b)
IDU - Instuction Decode Unit - vyzvedne z fronty předvybraných instrukcí instrukci, dekóduje ji a
instrukci pak umístí do fronty dekódovaných instrukcí (3 instrukce) Také upozorňuje BIU na
instrukce, které se jí budou týkat. (podobá se 286)
EU - výkonná jednotka - její součástí je ALU (obsahující nejen sčítačku, ale i násobičku a děličku)
a soubor univerzálních registrů
SU - Segmentation Unit - jednotka segmentace, odpovídá svou funkcí jednotce adresace u 286
(AU) v módu virt. paměti převádí adresu virt. na lineární, v módu reálných adres provádí výpočet
fyzické paměti
PU - Paging Unit - stránkovací jednotka, pracuje pouze v módu virt. paměti, pokud je aktivní,
mechanismus stránkování převádí lineární adresu na fyzickou
386 vyráběly i jiné firmy (AMD, Cyrix)
ve své době byla 386 poměrně drahá, proto se prodávala zjednodušená varianta INTEL 80386SX skoro shodný s DX, navržen pro montáž do desek 286, ven vyvedena 16b datová sběrnice, adresová
sb. 24b - 16 MB paměti
16-40 Mhz
Numerické koprocesory - obvody specializované na výpočty s reálnými čísly: 80387SX, DX
INTEL 80486
1989 80486DX
sdružuje na čipu 386DX+ 387DX (FPU) +8kB L1cache (data a instrukce dohromady)
25-50 Mhz (25, 33, 40 ,50)
22-44 MIPS, patice PGA (168 vývodů)
cache přednačítá informace po dvojslovech 32bitů
využívá 5 stupňový pipelining
prvky RISC - nejčastější instrukce má přímo zahrnuty v logických obvodech a nepotřebuje na ně
tedy mikroprogram
instrukční sada doplněna o instrukce pro multiprocesorové systémy a pro správu L1 a L2 cache
způsob adresování jako 80386
486 vyráběli i jiné firmy: AMD 97-98 % výkonu Intelu, Cyrix 95% (cache 16kB, o 10% pomalejší,
o 10-15 % rychlejší koprocesor)
80486SX
nemá koprocesor, šlo dokoupit externí numerický koprocesor 487SX = což byl vlastně další 486
DX
80486DX-2
dvojnásobná vnitřní frekvence (overdrive)
25-40Mhz (50-80Mhz)(20,25,33,40)
40-80 MIPS
výrazně levnější
3,3V 486 DXL (LV - low voltage)
80487SX-2
25(50) Mhz
80486DX-4
trojnásobná frekvence
25,33 (75,100 Mhz)
16kB cache 3,3V
Cyrix, AMD (120Mhz) , ale Pentium je dnes levnější
nahoru
PENTIUM (80586)
uveden v květnu 1993
vznikl ještě před uvedením 486/DX4
první superskalární procesor
podpora L2 cache až 512 kB
3,1 mil. tranzistorů
první generace: původně 60,66 Mhz 5V - příliš se zahříval,
technologie 0,8 um
pouzdro PGA 273 pro SOCKET 4
102,112 MIPS
druhá generace: 1994,
75, 90 100 Mhz (ext. 50, 60, 66)
120-160 MIPS 3,3V
technologie 0,6 um
pouzdro PGA 296 pro SOCKET 7
1995 120, 133, 150, 166 MHz (ext. 60,66 Mhz)
180-300 MIPS 3,3V
64b vnější datová sběrnice - až po paměť cache - proto nutnost 64b RAM = 2*SIMM, nebo
1*DIMM
32b adresová sběrnice
rozdělení vnitřní cache na paměť instrukcí a dat (2*8kB)
zdvojení výpočetních řetězců - proud "u" a proud "v"
zdokonalený numerický koprocesor (FPU)
jednotka předvídání skoků (BTB)
256 bitů fronta instrukcí
Cyrix od 1995
AMD od 1996 5x86
funkčně kompatibilní s Pentiem, vývodově se 486
INTEL PENTIUM MMX
počátkem 1997
150Mhz (jen pro notebooky), 166, 200, 233 Mhz
technologie 0,35 um
soubor instrukcí byl rozšířen o skupinu instrukcí, které stejným způsobem zpracovávají určitý blok
dat. - MMX (Multi Media eXtension) - technologie SIMD (Single Instruction Multiple Data
využívají je nejvíce grafické aplikace
numerická EU jednotka doplněna o jednotku zpracovávající MMX
>> zrychlení o 30% a o 10% u aplikací nepoužívající MMX
nové pouzdro - používá 2 frekvence napětí (BU 3,3-3,55V, jádro 2,7-2,9V), proto vyžaduje zvláštní
desku
PENTIUM PRO
1995 Intel PENTIUM PRO (P6) (686)
150,166,180,200 Mhz (ext. 60,66)
- pouzdro s 387 vývody pro Socket 7 = nekomp. s Pentiem
- dvě samostatná jádra - samotný procesor a L2 cache 256, 512 kB, 1MB připojená vnitřní 64b
sběrnicí na frekv. procesoru (architektura DIB)
- 5,5 miliónu tranzistorů, 256 kB (+15,5 mil.), 1MB (celkem 68 mil.), 0,6 um
architektura je bližší k AMD nez k Pentiu
vhodný pro víceprocesorové systémy (4p) díky integraci L2 cache
3 instrukce současně
14 násobný pipelining
Dynamic Execution:
•
•
•
1. předpověd skoků
2. analýza toku dat
3. spekulativní provádění instrukcí mimo pořadí - v případě, že potřebná data nejsou ještě v
paměti cache, začne vykonávat další instrukci - může tak odložit až 4 instrukce
nevýhody: nepodporuje MMX
vyžaduje 32b aplikace a OS (Windows NT) jinak zpomaluje
proto se používá pro servery a grafické stanice
napětí procesoru se určovalo pomocí 4 vývodů (VID- Voltage Identification), většina používala 3,3
nebo 3,1 V
nahoru
AMD - K5
byl představen firmou AMD v červnu 1996
- čtyřproudové superskalární jádro s šesti vykonávacími jednotkami uspořádanými do pětistupňové
posloupnosti
75, 90, 100, 120, 133, 166 MHz
- 16 kB instrukční L1 cache
- 8 kB datová L1 cache
- techniky pro předpověď větvení a provádění instrukcí mimo pořadí
pouzdro SPGA 296
- kompatibilita s Pentiem
0,35 um technologie
řazen do páté generace
- označován PR - Pentium Rating
př. AMD-K5 - PR133 ABQ
A= typ pouzdra B= pracovní napětí (3,525 nebo F=3,3V)
Q= teplota skříně (Q=60, R=70, X=65 C)
jiná architektura, podobná s Pentiem Pro, pasuje do patice pro Pentium, ale deska ho musí
podporovat
6 EU: specializované
2* ALU, (4 proudy) = provádí jednoduché celočíselné A a L operace
FPU = instrukce v plovoucí řádové čárce (matem.pr.)
JUMP = zpracování instrukcí skoků, spolupracuje s jedn. předv. skoků
LOAD = čtení z paměti
STORE = zápis do paměti
INTEL PENTIUM II
uveden v polovině roku 1997
konstrukčně vychází z Pentia Pro, bez problémů pracuje s 16b aplikacemi + doplněn o MMX
instrukce
cache L1 2*16kB
cache L2 512 kB v druhé části slotu pracuje jen na polovinčí frekvenci procesoru
nové pouzdro, nový SLOT1
frekv. 233, 266, 300, 333 (ext. 66Mhz)
233 - 400, 450 Mhz (ext. 100Mhz)
nižsí napájení jádra (2V a 2,8V u starších)
INTEL CELERON
duben 1998
levná verze Pentia II - nemá integrovanou L2 cache
oblíbený, dobrý v pohyblivé čárce, jinak slabší
266, 300 Mhz
SLOT1
INTEL CELERON A - MENDOCINO
má L2 cache 128 kB na plné pracovní frekvenci
300, 433 Mhz, 500
jiná patice a pouzdro PPGA 370 (SOCKET 370), existuje redukce ze slotu1
umožňuje víceprocesorové systémy
INTEL PENTIUM II XEON
září 1998
L2 cache na plné frekvenci (512 kB, 1 MB, 2MB)
400, 450 Mhz (ext. 100 Mhz)
větší než PII, proto nová patice SLOT2
spolupráce až 4 xeonů - vhodné do výkonných serverů
nahoru
INTEL PENTIUM III
450, 600 Mhz, 1 Ghz (ext. 100, 133)
cache stejná jako u P II - 512 na poloviční frekvenci
zlepšená instrukční sada KNI (Katmai New Instruction) nebo SSE (Streaming SIMD Extension)
70 nových instrukcí pro blokové zpracování dat, 3D operace, řízení cache paměti
vícenásobná predikace větvení
INTEL PENTIUM IIIB (CAMINE)
pro externí frekvenci 133 Mhz
INTEL PENTIUM IIIE (COPERMINE)
vyráběn technologií 0,18 m namísto 0,25
nižší napájení jádra 1,6V
paměť L2 cache jen 256 kB, ale na plné frekvenci
Intel Pentium IIIEB pro 133 Mhz ext.
další typy s paticí FCPGA
INTEL PENTIUM III XEON
stejné odlišnosti: variabilní L2 cache na plné frekvenci procesoru
SLOT 2, 500 - 1000 MHz
rozsáhlá podpora multiprocesoringu
INTEL CELERON II
vychází z PII, o 10 % lepší než Celeron
FCPGA patice
jádro 1,5 V
L2 cache 128 kB na plné frekv.
pro 66 Mhz ext. fr., vysoký násobitel (až 12!), dobré přetaktování
AMD K-7 ATHLON
vícenásobný dekodér instukcí 80x86, devět celočíselných EU, tři numerické EU, tři adresovací
jednotky
další instrukce pro 3D výpočty (3D Now!)
pro ext. frekv. až 200 Mhz
L1 128 kB, L2 512 - 8 MB
1 Ghz (200 ext.)
vyžaduje speciální desku, a paměti pracující při 200 Mhz
vysoký příkon - nutno dochladit
SLOT A (EV6)
Athlon THUNDERBIRD
0,65 - 1,3 GHz
266 ext. frekvence
velmi topí - podobně jako P IV asi 70 W
Socket A , PPGA 462
Konkurencí Celeronu je AMD DURON, což je v podstatě Athlon s cache zmenšenou na 64 kB, a s
frekvencí FSB 100 MHz (500 - 900) AMD chystá 64bitovou řadu procesorů Hammer
nahoru
INTEL PENTIUM 4 - WILLAMETTE
32 bitový, nová architektura, technologie NetBurst, podobná Itaniu
400 Mhz ext. (4*100), ca 1,3 - 1,8 Ghz int.
extrémní zřetězení
vyloučeny jednotky pro překlad instrukcí, místo nich další cache L1 - výhodné při chybné
předpovědi skoku
L2 256 kB
144 nových instrukcí
Pentium 4 - Northwood
2,2 - 3,5 GHz
L2 512 kB, 0,13 um
provedení PGA 423, později PGA 478
INTEL ITANIUM
plně 64bitový procesor
dovoluje adresovat až 17 179 869 184 GB paměti!
128 registrů celočíselných 128 s plovoucí řádovou čárkou
osm EU - 4* ALU, 2* FPU, JUMP, STORE
desetistupňový pipelining
nástupcem bude procesor McKinley
Všem, kteří se pročetli až sem, doporučuji odbornou literaturu, kde najdou totéž a lépe zpracované Literatura
Procesory obecně:
Procesor (CPU) je mozek počítače. Některé instrukce vykonává sám, některé svěřuje jiným
zařízením. Procesor je synchronním zařízením, pracuje v souvislosti s hodinovým signálem CLK
(clock) - (takty, periody hodin). Procesor se skládá z milionů maličkých tranzistorů, nanesených
fotografickou cestou na křemíkový plátek. Tyto tranzistory umějí jediné - nastavit se do polohy
"zapnuto" a "vypnuto", tedy nuly a jedničky. Díky tomu je možné realizovat matematické operace v
binární soustavě. Některé také slouží k uchovávání dat.
Jádrem procesoru je logický obvod, který dokáže zpracovat sadu mikroinstrukcí. Napsat program v
mikroinstrukcích není jednoduché, proto se procesory vybavují sadou instrukcí a obsahují program
pro převod instrukcí na mikroinstrukce.
Jádrem procesoru je ALU (Aritmeticko - Logická Jednotka), která provádí výpočty.
Procesor obsahuje také ŘADIČ, který na základě instrukcí činnost procesoru řídí (rozhoduje o tom,
kudy potečou informace). Dále obsahuje BLOK REGISTRŮ, nazývaný také zápisníková paměť.
Jsou zde REGISTRY UNIVERZÁLNÍ - DATOVÉ (slouží k ukládání operandů, mezivýsledků,
výsledků) a REGISTRY S PEVNĚ STANOVENÝM VÝZNAMEM, např.:
PC - Program Counter (IP - Instruction Pointer) - obsahuje adresu instrukce, která bude čtena z
paměti jako další v pořadí
F, FL, FLAGS - registr příznaků (ukazuje např., že výsledek byl kladný, záporný, nepodařilo se jej
uložit apod.) SP - Stack Pointer - ukazatel zásobníku, zásobník = zvláštní část paměti, do které se
data ukládají tak, že čtena jsou ta, která byla uložena poslední.
Dvě koncepce procesorů z hlediska instrukční sady:
CISC - Complete Instruction Set Computer - co nejúplnější sada (Intel, AMD, Cyrix)
RISC - Reduced ISC - vychází z předpokladu, že na 80 % operací stačí 20 % instrukcí. Jednodušší,
levnější, rychlejší, vyžadují ale lepší dovybavení počítače. Power PC - IBM, Apple, Motorolla.
Uplatňují se u velkých počitačů, nebo jako jednoúčelové (kalkulačky apod.).
Komunikace procesoru s I/O zařízeními
Přímá programová obsluha - po dobu, kdy zařízení pracuje a není k dispozici, vkládají se do
režimu procesoru čekací takty, pokud je zařízení připraveno pro další práci, pošle procesoru tzv.
handshake (z ang. podání ruky). Toto se vyplatí jen pokud je zařízení rychlé. Např. znak na
jehličkové tiskárně trvá 5ms, za tu dobu stihne procesor při 66 Mhz asi 160 000 instrukcí.
Obsluha s přerušením - INTERUPT - procesor např. vyšle tiskárně znak a provádí jiný program,
čeká na INTR (Interrupt Request = požadavek přerušení), když ho tiskárna pošle, uloží se postavení
procesoru, zjistí z řadiče přerušení, které zařízení INTR poslalo a procesor provede rutinu přerušení
= pošle další znak, pak se vrátí k programu. (vhodné pro pomalá zařízení)
Pozn.: Systém přerušení - vektorové přerušení, tabulka vektorů přerušení jev operační paměti - n-té
přerušení spustí přes n-tý vektor n-tý program. Možnost zákazu přerušení.
Komunikace prostřednictvím přímého přístupu do paměti (DMA- Direct Memory Acces)
Řadič vyšle signál HOLD - procesor se odpojí od sběrnice, pokud ji používá a dá signál HLDA,
DMA (řadič přerušení) převezmě řízení přenosu dat, po skončení deaktivuje HOLD, procesor se
připojí na sběrnice a deaktivuje HLDA. Možnosti zrychlení procesoru: Pipelining - zřetězení rozdělení instrukcí na několik částí a jejich současné zpracovávání Superskalární procesory paralelní zpracování - zpracovávají více instrukcí najednou 80486 - pouze zřetězený, ostatní
zřetězené superskalární Out-of-order execution (zpracovávání instrukcí mimo pořadí) - k tomu je
potřeba malá vyrovnávací paměť mezi dekodérem instrukcí a řadičem, do které dekodér ukládá
přeložené instrukce. Z ní pak řadič vybírá potřebné instrukce. To se však děje bez ohledu, v jakém
pořadí šly instrukce v programu. Branch prediction (předpovídání větvení) a Speculative execution
(spekulativní provádění)- protože programy se často větví stejným způsobem, jednotka pro
předpověď větvení je schopna odhadnout, kam se program bude ubírat a nechá přednačíst instrukce
z předpokládané větve. Přetaktování procesoru: Procesory mají určitou výkonovou rezervu. Protože
např. u Pentia na 333Mhz a 366 Mhz se jedná o shodnou součástku, je možné procesor přetaktovat
nastavením vyšší pracovní frekvence. To však způsobí větší zahřívání procesoru a je potřeba ho
dochladit (aktivní a pasivní chlazení). Přehřátí způsobuje nefunkčnost tranzistorů (zůstávají
otevřené) a generování obrovského množství chyb a nefunkčnost počítače. Po vychladnutí je
procesor opět na chvíli schopen práce, pokud nedojde k jeho fyzickému zničení vysokou teplotou.
Další části procesoru:
Pamět cache L1, L2 - přednačítá data z operační paměti, neboť její komunikace s procesorem je
rychlejší. Má svůj řadič. Sběrnice - soustava vodičů, adresová (čím širší, tím víc adres), datová,
řídící. Motherboard musí nabízet dostatečnou šířku sběrnic. Frekvence - vnější (FSB) / vnitřní
(FSB*multiplikátor) -nastavení pomocí jumperů na desce Napětí - bývalo 5V, nyní od 2,2- 5V
nastavení pomocí jumperů na desce Patice - dříve byly procesory připájeny pájkou, dnes jsou
montovány pomocí patic ZIF (Zero Input Force - vkládání nulovou silou)
Kritéria hodnocení procesoru:
Operace v pevné řádové čárce - základní výpočty, přesuny dat, důležité pro kanc. programy
a souborové servery Operace v pohyblivé řádové čárce -matematické výpočty,, důležité pro
CAD, DTP, hry… Technologie výroby - P5=0,35 mikronu, P60=0,25, 0,18, 0,16, 0,13 ...