TEHNIČKA ŠKOLA “RADE METALAC”LESKOVAC

MATURSKI RAD

PREDMET: RAČUNARI

TEMA: PROCESORI

Profesor: Ljubiša Mladenović Učenik: Nikola Tasić

Leskovac, jun 2010.

MIKROPROCESOR

SADRŽAJ:

1. UVOD U PROCESORE................................................................................................21.1. ISTORIJA PROCESORA..........................................................................................31.2. CISC(Complex Instruction Set Computer) procesori...............................................41.3. RISC(Reduced Instruction Set Computer) procesori................................................51.4. MIKROPROCESORSKE TEHNOLOGIJE...............................................................7

2. MIKROPROCESOR.....................................................................................................82.1. KARAKTERISTIKE MIKROPROCESORA..............................................................82.2. STRUKTURA MIKROPROCESORA........................................................................92.3. NAČIN RADA MIKROPROCESORA.....................................................................12

3. ARHITEKTURA MIKROPROCESORA.................................................................144. KARAKTERISTIKE MIKROPROCESORA..........................................................15

4.1. OSNOVNE KARAKTERISTIKE 8-BITNIH MIKROPROCESORA........................154.2. OSNOVNE KARAKTERISTIKE 16-BITNIH PROCESORA...................................164.3. OSNOVNE KARAKTERISTIKE 32-BITNIH PROCESORA...................................164.4. OSNOVNE KARAKTERISTIKE 64-BITNIH PROCESORA...................................17

5. PENTIUM PROCESORI............................................................................................186. PROCESORI SA VISE JEZGRA(Multi-core processor)........................................197. HLAĐENJE MIKROPROCESORA.........................................................................20ZAKLJUČAK..................................................................................................................21LITERATURA..................................................................................................................22

1

MIKROPROCESOR

1. UVOD U PROCESORE

Procesor ( u računarstvu ) je izvršna jedinica - prima i izvršava instrukcije pročitane iz odgovarajuće memorije. Kada se kaže samo „procesor“ najčešće se misli na centralni procesor (engl. central processing unit - CPU, centralna procesorska jedinica), ali postoje i procesori specijalnih namena kao što su procesori signala, razni grafički procesori, itd. Sam po sebi procesor ne čini računar, ali je jedan od najvažnijih delova svakog računara.

Procesor (centralni procesor, centralna procesorska jedinca eng. CPU-Central Processing Unit) predstavlja programski upavljan digitalni eltronski uredjaj koji obavlja sledece funkcije:

na osnovu instrukcija obrađuje podatke izvršavanjem nad njima relativno prostih operacija - mašinskih operacija;

donosi odluke u procesu obrade o toku odvijanja izvršenja instrukcija programa;

upravlja ostalim komponentama računara;

obezbjeđuje prenos podataka između komponenata računara, kao i razmjenu podataka sa spoljnim okruženjem

Procesor radi izvršavajući program smješten u operativnu memoriju, koji se sastoji od sledećih aktivnosti:

prenos (pozivanje) svake instrukcije iz operativne memorije u upravljačku jedinicu;

prenos podataka iz operativne memorije ili registra procesora u aritmetičko-logičku jedinicu;

izvršenje (realizacija) operacije predviđene tom instrukcijom;

pamćenje rezultata u operativnoj memoriji ili registrima.

Svaki processor sadrži registar, upravljačku jedinicu, aritmetičko logičku jedinicu i taktni generator. Bez procesora ne bi bilo personalnog računara. Kao i sve ostale hardverske komponente, procesori se neprestano usavršavaju. Svedoci smo eksplozivnog tehnoloskog razvoja obrade podataka zahvaljujući razvoju novih i brzih procesora. Procesori udvostručavaju svoje performanse svakih 18meseci i nema pokazatelja da će taj trend prestati. Kada se kaže samo “processor” najčešće se misli na centralni procesor

2

MIKROPROCESOR

(CPU), ali postoje procesori specijalnih namena kao sto su procesori signala, rayni grafički procesori...Sam po sebi procesor ne čini računar ali je jedan od najvažnijih delova računara.

1.1. ISTORIJA PROCESORA

Idejni tvorac mikroprocesora je inžinjer Marcijan Hof. On je predložio da se napravi integrisano kolo koje bi preuzelo neke funkcije procesora velikih računara. Prvi mikroprocesor, nastao 1971. godine, poznat je pod imenom Intel 4004. Ovaj mikroprocesor je sadržao oko 2300 tranzistora i mogao je da obrađuje podatke u grupama od po 4 bita pa otuda potiče i njegov naziv.

Prvi predstavnici 8-bitnih mikroprocesora nastali su 1974. godine kada je Intel proizveo i8080, a Motorola MC6800. Opšta karakteristika prvih 8-bitnih mikroprocesora je oko 5000 tranzistora na kristalu koji su mogli da obavljaju najvažnije funkcije mikroprocesora tadašnjih velikih računara.

Posle 8-bitnih pojavljuje se generacija 16-bitnih mikroprocesora. To su mikroprocesori koji mogu da obrađuju podatke u grupama od po 16 bita. Kod njih je postignut 5 do 10 puta veći stepen integracije, a brzina im je povećana 5 do 20 puta u odnosu na 8-bitne. Tek sa pojavom 16-bitnih mikroprocesora dostignute su mogućnosti procesora velikih računara. Prvu generaciju čine oni koji su proizvedeni do 1983. godine, a drugu generaciju oni nastali 1983.

Prvi 32-bitni mikroprocesori su se pojavili 1982. godine i kod njih takođe možemo razlikovati nekoliko generacija. Motorola je na tržište izbacila MC68020, a Intel i80386. kod svake generacije 32-bitnih mikroprocesora uvećavao se stepen integracije. Kod prve generacije taj broj je bio oko 500.000 tranzistora na kristalu, a već kod druge od 1,2 do 1,5 miliona na jednoj kristalnoj pločici. Značajno se uvećava brzina rada, kao i prostor koji mikroprocesor može adresirati. Međutim, najvažniji pravci poboljšanja kod 32-bitnih mikroprocesora bili su : ugrađivanje i uvećanje tzv brzih keš memorija, uvećanje broja operacija koje su se mogle izvršavati paralelno i rad sa virtualnim memorijama.

Svi ti mikroprocesori pripadaju CISC koncepciji ( Complex Instruction Set Computer ). Ovu koncepciju karakteriše obiman skup instrukcija kao i vrlo složene radnje koje može da obavlja mikroprocesor. U devetoj deceniji javljaju se prvi mikroprocesori zasnovani na RISC koncepciji ( Reduced Instruction Set Computer ) kod kojih se redukuje skup instrukcija ali se znatno povećava brzina rada.

3

MIKROPROCESOR

Tabela prikazuje razvoj Intel procesora od prvog koji je izazvao pravu senzaciju na tržištu svojim pojavljivanjem 1974, do današnjih procesora, mada stalno izlaze novi sa sve boljim performansama koje se ne mogu porediti sa nekadašnjim. Svi procesori nakon 8088 su pravljeni po uzoru na njega s tim što Pentium IV može da izvrši neke instrukcije 5000 puta brže od svog preteče.

Prvi procesori su bili mehanički i praktično nisu bili zaseban deo računara (npr. kakve je projektovao Čarls Bebidž) zatim elektromehanički (relejni) pa na bazi elektronskih vakuumskih cevi i bili su jako veliki (obično su računari zauzimali cele prostorije ili čak spratove). Do značajnog smanjenja dimenzija i povećanja performansi došlo je upotrebom tranzistora (miniprocesori) i, u drugoj polovini 20. veka, integralnih kola (mikroprocesori).

1.2. CISC(Complex Instruction Set Computer) procesori

Računar sa složenim skupom instrukcija(CISC) je tradicionalna računarska arhitektura, u kojoj centralna procesorska jedinica koristi mikrokod da bi izvršavala veoma širok skup instrukcija. Te instrukcije mogu da budu promenljive dužine i da koriste sve načine adresiranja što zahteva složenu elektroniku za njihovo dekodiranje.

Postoje mnoge prednosti i mane CISC arhitekture :

Prednost CISC tehnologije:

1. postoji veliki broj instrukcija, tako da se može pronaći odgovarajuća instrukcija za svaki programski zadatak sto olaksava programiranje.

4

MIKROPROCESOR

2. relaizacija CISC-a trazi manje tranzistore nego ekvivalentni RISC procesor što znaci jeftiniju proizvodnju,

3. razvoj CISC procesora traje krace i kosta manje nego ekvivalentni RISC procesor, što se povoljno odrazava na cenu CISC-a,

4. za CISC procesore potoji velika softverska baza i širok krug korinika naviknutih na taj softver, što se smatra najvećom prednošću CISC-a u odnosu na konkurentske tehnologije.

Nedostaci CISC tehnologije:

1. veliki broj instrukcija znači dugu instrukcijsku listu, što usporava pretraživanje, pronalaženje i dekodiranje instrukcija, a time usporava i rad procesora,

2. različite instrukcije imaju značajno različita vremena trajanja što znači da dolazi do zastoja u izvršenju programa( instrukcija traje šest taktova). Ovo je osnovna prepreka za paralelno izvršavanje više instrukcija,

3. arhitektura CISC-a je dostigla svoj zenit i dalji napredak je vrlo slab. Porast perforamanse se može postići samo sirovim povećanjem rande frekfencije procesora što uopšte nije dovoljno.

1.3.RISC(Reduced Instruction Set Computer) procesori

Sukcesivne generacije mikroprocesora imale su sve više moćnih instrukcija pa se programiranje na asembleru na neki način približavalo programiranju u nekom višem jeziku. Konstruktori mikroprocesora su verovali da je veliki broj taktnih ciklusa neophodnih da se izvrši svaka instrukcija nužna posledica njene složenosti i da će se dobici u brzini rada računara postići stalnim povećavanjem frekvencije oscilatora. Školski primer ovakve strategije kompleksnog seta instrukcija (CISC) su Digitalovi miniračunari iz serije VAX - postoji instrukcija njihovog procesora koja se u silnim megabajtima operativnog sistema i raznih kompajlera koristi samo jednom a ipak zauzima svoj prostor u mikrokodu i usporava dekodiranje ostalih naredbi!

Ideja o formiranju mikroprocesora koji će imati malo pažljivo izabranih instrukcija koje se izvršavaju veoma brzo rodila se 1975. godine u IBM-ovim laboratorijama dok je John Cocke razvijao ogromnu telefonsku centralu kojoj je bio potreban moćan mikrokompjuterski kontroler. Tada je nastao mikroprocesor 801 koji se, istini za volju, nikada nije pojavio na tržištu ali čija je filozofija 1986. godine ugrađena u IBM PC RT, računar kojim je IBM želeo da dokaže svoju superiornost u svim novim računarskim tehnologijama. Prvi komercijalno raspoloživ RISC procesor je, međutim, 1985. godine proizveo mali razvojni tim britanske firme Acorn. Zbog krize u kojoj se Acorn našao ARM mikroprocesor je dugo ostao u laboratorijama da bi prošle godine zablistao u centru BBC Arhimeda, navodno najbržeg personalnog računara na svetu.

5

MIKROPROCESOR

Relativno mali broj instrukcija čini procesor brzim i jeftinim: dok Motorolin 32-bitni CISC mikroprocesor 68020 ima oko 192,000 tranzistora, ARM-ovih 25,000 tranzistora lako postižu istu brzinu na dvostruko sporijem kloku. Usporenje kloka, jasno, omogućava korišćenje jeftinijih pratećih čipova što znači da su RISC računari potencijalno znatno jeftiniji. Cena koja se plaća nije naročito velika: teže je programirati na procesoru koji ima jednostavnije instrukcije ali se 32-bitne mašina i onako vrlo retko programiraju na asembleru - treba samo uložiti rad u dobar C ili Ada kompajler koji proizvodi optimalan kod.

Mali broj instrukcija koje se izvršavaju u što manje taktnih ciklusa je najvažnija ali ne i jedina karakteristika RISC procesora. Format svih RISC instrukcija mora da bude isti što bitno pojednostavljuje mikrokod koji ih prepoznaje. Najzad, RISC procesori imaju mnogo registara i sa (potencijalno sporom) memorijom komuniciraju isključivo preko LOAD i STORE instrukcija.

U tehnici se razmerno retko događalo da dve dijametralno suprotne koncepcije razvoja dugo koegzistiraju - ili se jedna od njih lagano povlači ili obe konvergiraju ka nekom među rešenju. Možda će već ova godina dati odgovor na "hamletovsko" pitanje "mikrokodirati ili ne, pitanje je sad". Novija kretanja na tržištu pokazuju da se RISC i CISC približavaju jednoj novoj koncepciji koju obično nazivamo WISC (W od Writable) - prvi predstavnici ovakve arhitekture su, bar na papiru, Motorola 68030, Fairchild Clipper i, donekle, Inmos-ov Transpjuter.

Dok u svetu generacije mikroprocesora iz godine u godinu potiskuju jedna drugu, domaća kompjuterska scena je daleko statičnija. Što se kućnih računara tiče, apsolutno dominiraju Z-80 i 6502: domaći programeri su izvanredno upoznali ove mikroprocesore i sastavili mnogo veoma kvalitetnih mašinskih programa od kojih su se neki probili i na strano tržište. Popularno pisane literature na našem jeziku ima dosta što znači da je put za ambicioznog programera koji želi da upozna mikroprocesor na kome je njegov računar zasnovan relativno definisan.

Na tržištu personalnih računara apsolutni primat ima IBM PC koji, uostalom, predstavlja i vodeći svetski standard. Mašinski jezik mikroprocesora 8086, međutim, malo ko upoznaje - opšte je mišljenje da je za pisanje kvalitetnih programa koji će se izvršavati na IBM PC-ju dovoljno upoznati Turbo paskal ili možda C. Popularne literature koja bi se bavila isključivo mikroprocesorom 8086 kod nas gotovo i nema.

Domaće razvojne laboratorije su se praktično isključivo orijentisale na Intelove mikroprocesore pa se paralelno koriste 8085, 8086 i razni specijalizovani Intelovi kontroleri kao što su 8047 i 8051. Programiranje se obavlja na asembleru ili na (među amaterima) relativno nepoznatom jeziku niskog nivoa koji je nazvan PL/M; "pravo građanstva" u poslednje vreme stiče i C. Domaći projekti koji bi trebalo da afirmišu 32-bitne mikroprocesore i RISC mašine su uglavnom u fazi idejnih rešenja i laboratorijskih eksperimenata.

Postoje mnoge prednosti RISC arhitekture:

6

MIKROPROCESOR

Prednosti RISC tehnolgije:

koristi se manji broj instrukcija, što znači da je pretraživanje, pronalaženje i dekodiranje instrukcija brže jer je instrukcijska lista kraća

sve instrukcije imaju jednako trajanje(jedan takt), pa nema zastoja u izvršenju programa. Ovo je veoma bitno kod paralelnog izvršenja više instrukcija.

sve instrukcije se izvršavaju hardverski što znači veoma brzo jer je hardver uvek znatno brži od softvera.

Nedostaci RISC-a:

softverska baza je ograničena jer je RISC od starta usmeren ka profesionalnim korisnicima sto znači vrlo skup softver.

razvoj procesora traje dugo i košta puno, što se nepovoljno odražava na cenu procesora.

RISC rešenja koriste više tranzistora nego ekvivalentni CISC zbog čega je proizvodnja skuplja.

RISC procesori traže upotrebu skupih CACHE memorija zbog potrebe za velikom količinom podataka.

1.4.MIKROPROCESORSKE TEHNOLOGIJE

Od početka razvoja mikroračunara postoje dva osnovna cilja konstruktora: povećanje brzine i povećanje kapaciteta memorije. Da bi se ti ciljevi ispunili smanjivao se broj komponenata od kojih su građeni čvrsti delovi računara, i na taj način skraćivao bi se put koji su prelazili električni, magnetni i svetlosni impulsi a povećavala brzina prenosa informacija. Tako je bilo moguće na manjem prostoru zapamtiti veći broj informacija. Da bi smanjivanje bilo uspešno potrebno je veliki broj tranzistora smestiti na malu površinu. Na taj način nastaju čipovi tj. integrisana kola koja predstavljaju integraciju elektronskih komponenata na malim pločicama. Najsloženija integrisana kola predstavljaju mikroprocesor. Glavni materijal u izradi integrisanih kola su razni tipovi poluprovodnika pa je i cela tehnologija nazvana poluprovodnička tehnologija. Prilikom izbora integrisanog kola veoma je bitno znati koja je tehnologija primenjena. Od tipa tehnologije koja je primenjena zavisi:

1. pouzdanost integrisanog kola,2. stepen ostvarene integracije po jedinici površine,3. brzina rada,4. potrošnja energije,5. način povezivanja sa drugim integrisanim kolima koja ne moraju biti

proizvedena u istoj tehnologiji itd.

Do sada su bile dominantne dve tehnologije u proizvodnji integrisanih kola i to su bipolarna i MOS (Metal – Oxide – Semiconduktor ) tehnologija.

7

MIKROPROCESOR

2. MIKROPROCESOR

Procesor je uređaj koji može da vrši obradu podataka i centralni je deo većih računarskih sistema. Procesor koji vrši obradu u mikroračunaru je mikroprocesor. Mikroprocesor je pločica, na kojoj je sabijen ( integrisan ) veliki broj tranzistora i koji obavlja iste funkcije kao i veliki procesori. To je čip napravljen tako da predstavlja funkcionalnu celinu, a koji se preko velokog broja nožica ( pinova ) povezuje sa spoljašnim svetom.

Ako se pogleda unutrašnjost računara može se videti da se on sastoji od velikog broja čipova. Ovi čipovi imaju različitu ulogu: jedni služe za kontrolisanje periferijskih uređaja ( tzv. kontroleri ), drugi za generisanje zvuka, treći za generisanje slika, itd. I ti čipovi su mikroprocesori kojima je dodeljena specijalna uloga. Međutim oni se ne nazivaju mikroprocesorima već imaju posebne nazive kao što su : disk kontroler, generator zvuka, DMA-modul i sl. Pod mikroprocesorom se podrazumeva čip opšte namene koji objedinjuje rad celog mikroračunarskog sistema.

2.1. KARAKTERISTIKE MIKROPROCESORA

Jedna od osnovnih karakteristika mikroprocesora je dužina podatka kojeg obrađuje u jednom trenutku. Uobičajne dužine su 4, 8, 16, 32... Prema ovome svi mikroprocesori se mogu podeliti na 4-bitne, 8-bitne, 16-bitne.

Mikroprocesori su proizvod velikog stepena integrisanosti tranzistora na jednom kristalu. Stepen integrisanosti se stalno povećava. Do skora se za mikroprocesore koji su napravljeni sa vrlo velikim stepenom integracije govorilo da su napravljeni u VLSI ( Very Large Scale Integration ) tehnologiji. Sada se već upotrebljava novi pojam ULSI ( Ultra Large Scale Integration ) koji se odnosi na čipove sa više od milion tranzistora.

Jedan od osnovnih ciljeva prilikom izgradnje svih dosadašnjih računara bio je povećanje brzine rada računara. Brzina rada mikroprocesora se izražava u MIPS-ovima ( Milion of Instructions Per Second ). Međutim povećanje broja operacija i povećanje brzine mikroprocesora su dva oprečna zahteva. IBM-ovi stručnjaci su analizom konstatovali da se koristi samo 20 posto od celokupnog skupa instrukcija, što ih je podstaklo da se naprave mikroprocesori sa manjim brojem instrukcija ali veoma brzi. Tako je nastao novi pravac u gradnji mikroprocesora zasnovan na RISC pristupu ( Reduced Instruction Set Computer ). Nasuprot ovoj koncepciji je CISC pristup ( Complex Instruction Set Computer ) u kojoj se i dalje povećavaju mogućnosti mikroprocesora povećanim stepenom integracije.

Takođe jedna od karakteristika današnjih mikroprocesora je težnja ka očuvanju kompatibilnosti sa njihovim prethodnicima. Ako, na primer, jedan 16-bitni mikroprocesor može da izvršava instrukcije 8-bitnog kažemo da su kompatibilni. Razlog tome je što je pravljenje softvera veoma skupo i zahteva dosta vremena, pa softver sa jednog računara može da se koristi na drugom ako su njihovi mikroprocesori kompatibilni.

8

MIKROPROCESOR

2.2.STRUKTURA MIKROPROCESORA

Pod arhitekturom mikroprocesora podrazumevamo njegovu logičku organizaciju. Arhitektura mikroprocesora određuje i njegove mogućnosti. Obično se u okviru svakog mikroprocesora nalaze sledeće komponente:

1. upravljačka ili komandna jedinica2. aritmetičko logička jedinica3. skup registara4. unutračnje magistrale

Komandna jedinica služi za prepoznavanje komandi tj. instrukcija koje treba da se izvrše. U aritmetičko logičkoj jedinici obavljaju se aritmetičke i logičke operacije. Registri imaju višestruku namenu, koriste se kao brojači komandi, kao pokazivači steka, indeks registri i sl. Unutrašnje magistrale(koje treba razlikovati od magistrala mikroračunarskog sistema) povezuju sve komponente mikroprocesora u jednu celinu, ali se preko njih povezuje i sa ostalim delovima mikroračunarskog sistema. Pinovi ( nožice ) predstavljaju produžetke linija koje ulaze u sastav unutrašnjih magistrala mikroprocesora. Preko nožica mikroprocesora prenose se razni signali koje možemo podeliti u osam grupa:

1. signali za upravljanje mikroprocesorom2. signali za upravljanje prenosom podataka3. signali adresne magistrale i magistrale podataka4. signali stanja mikroprocesora5. signali upravljanja prekidima6. napajanje 7. signali sinhronizacije8. signali za realzaciju specifičnih funkcija

Funkcija računara je da prenosi podatke između memorije, U/I uređaja i procesora, kao i da ih obrađuje u samom procesoru. Podaci se kroz računar prenose kao digitalni signali preko provodnika – magistrala ( bus ). Magistrala je skup električnih putanja preko kojih se istovremeno prenose digitalni električni signali: svaki signal predstavlja jedan bit

CENTRALNA PROCESORSKA JEDINICA - CPU

REGISTRI

UPRAVLJAČKA JEDINICA

ARITMETIČKO LOGIČKA JEDINICA

ULAZNI UREĐAJI

Šalju podatke

IZLAZNIUREĐAJI

Šalje obrađene podatke

9

MIKROPROCESOR

informacije ( električni ekvivalent binarne cifre nula ili jedan ). Broj bitova koji se mogu prenositi istovremeno određuje širinu magistrale. Prema tome, u funkcionalnom smislu, razlikuju se tri vrste magistrale:

1. Magistrala podataka ( Data bus ) je dvosmerna, po njoj se podaci mogu prenositi iz mikroprocesora prema memoriji ili drugim kolima mikroračunara, ili se podaci unose u mikroprocesor iz istih kola ( npr. iz RAM memorije ).

2. Adresna magistrala ( Address bus ) preko koje se prenosi adresa na koju se smešta podatak. Ona je jednosmerna jer smer podataka ide od mikroprocesora prema memoriji ili drugim kolima mikroračunara. Brojem vodova ( bita ) adresne magistrale određen je ukupan broj memorijskih lokacija ili registara koje se mogu adresirati: mikroprocesor može adresirati bilo koju lokaciju ROM ili RAM memorije, ili bilo koji drugi registar priključen na magistralu. Svakoj adresi treba jednoznačno da odgovara memorijska lokacija ili registar.

3. Upravljačka magistrala ( Control bus ) preko koje se prenose svi signali bitni za proces upravljanja prenosom podataka, sinhronizaciju rada pojedinih komponenata, i uopšte rad celog sistema. Signali koji čine kontrolnu magistralu su READ/WRITE (R/W), zahtev za prekid rada mikroprocesora ( IORQ ) ili resetovanje računara ( RESET ).

Svi elementi mikroračunarskog sistema se vezuju preko tih magistrala.

Najnoviji mikroprocesori poput Pentiuma imaju veoma komplikovanu arhitekturu. Instrukcije se izvršavaju paralelno korišćenjem tzv. tekućih linija ( pipe line ). Osim toga ovde se ne nalazi skup registara već memorija koja se nalazi unutar mikroprocesora. To su veoma brze keš ( cashe ) memorije čija veličina se stalno povećava. Zahvaljujući toj memoriji omogućeno je paralelno izvršavanje instrukcija, tj. postižu se veće brzine mikroprocesora. Keš memorije mogu biti u samom procesoru ali i izdvojene u posebnu celinu.

CENTRALNA PROCESORSKA JEDINICA

REGISTRI OPŠTE NAMENE

ARITMETIČKO LOGIČKA JEDINICA

UPRAVLJANJE I SINHRONIZACIJA

MEMORIJA SPREGA SA U/I UREĐAJIMA

MAGISTRALA PODATAKA

ADRESNA MAGISTRALA

UPRAVLJAČKA MAGISTRALA

10

MIKROPROCESOR

Aritmetičko loička jedinica:

Aritmetičko-logička jedinica je deo računara u kome se izvršavaju operacije nad podacima. O tome koja operacija i nad kojim podacima treba da se izvrši saopštava upravljačka jedinica.Na slici je prikazan šematski prikaz aritmetičko logičke jedinice.

Aritmetičko - logička jedinica ( ALU-Aritmetic Logic Unit ) - obavlja aritmetičke operacije (+,-,* ...), logičke operacije (logičko sabiranje, logičko množenje), pomeranje reči u

registrima, transformaciju kodova, kao i neke druge operacije. Ova jedinica je sastavljena od logickih mreza za izvrsavanje operacija (npr. sabirači), registara u kojima se čuvaju operandi, medjurezultati, kao i rezultati na kraju izvršenih operacija, kao i raznih pomocnih registara. Globalna struktura ALU.

  ALU se mogu klasifikovati na razlicite načine. Prema načinu izvršavanja operacija dele se na serijske (za realizaciju celokupne operacije od n bita potrebno je n taktova), paralelne, i paralelno– serijske. Prema načinu predstavljanja brojeva nad kojima se vrše operacije postoje ALU sa fiksnim zarezom (dele se dalje na ALU za operacije sa celobrojnim brojevima i sa razlomljenim brojevima), sa pokretnim zarezom, i decimalne.

Sa razvojem mikroprocesora sve se više razvijaju i koriste ALU sa magistralnom strukturom, u čiji sastav ulaze registri (skoro isključivo služe za prihvatanje informacija), komutatori (služe da se odgovarajući registri priključe na magistrale), i logička mreža za obavljanje operacija.

Upravljačka jedinica:

Upravljačka jedinica obavlja sve osnovne funkcije:

1. određivanje redosleda instrukcije za izvršenje,2. dekodiranje izabrane instrukcije, tumačenje pojedinih polja instrukcija i

upravljanje izvršenjem operacije određene kodom operacije te instrukcije.

Upravljacka jedinica formira (generiše) upravljačke signale za: pozivanje instrukcija iz operativne memorije, dekodiranje koda operacije, formiranje adresa operanada, pristup operativnoj memoriji i prenos operanada u aritmetičko-logičku

jedinicu, izvršenje u aritmetičkoj-logičkoj jedinici operacije predvidjene kodom

instrukcije, prenos dobijenog rezultata u operativnu memoriju,

11

MIKROPROCESOR

iniciranje rada ulazno-izlaznog prenosa, organizaciju preakcije procesora na spoljne zahteve i dr.

Važnu ulogu pri izvršenju operacija ima raspored upravljačkih signala u vremenu. Zato se govori o taktovanju ili sinhronizaciji rada procesora. Za odredjene upravljačke signale i njihov redosled izvršavaće se određena operacija nad podacima. Pri tome treba da postoji mogućnost analize uslova ( indikatora stanja ) u registru uslova radi granjanja u procesu izvršenja programa. Osim toga, za aritmetičke operacije se iz registra uslova koriste bit prenosa, bit prekoračenja, izlazni bit pri pomeranju sadržaja i dr.

2.3.NAČIN RADA MIKROPROCESORA

Funkcionisanje skoro svakog mikroprocesora sastoji se u neprekidnom smenjivanju dve faze tj. ciklusa. Osnovna jedinica operacije u računaru je mašinski ciklus koji izražava jednu elementarnu transakciju unutar računara i sastioji se od ove dve faze:

1. faza pripreme instrukcije ( fetch cycle )2. faza izvršenja instrukcije ( execute cycle )

U fazi pripreme učitava se instrukcija iz memorije ( tj. dovodi se u sam mikroprocesor ), a u fazi izvršavanja izvodi se operacija određena donetom instrukcijom.U okveru svake instrukcije mogu se razlikovati dva dela: operacioni kod i adresni deo. Opkod određuje vrstu operacije koju treba da obavi mikroprocesor a adresni deo ukazuje na adrese sa kojih treba uzeti podatke za operisanje. Još prema zamisli Fon Nojmana program u memoriji računara je niz instrukcija u memorijskim lokacijama čije adrese slede jedna za drugom. Izvršavanje programa započinje donošenjem prve instrukcije u mikroprocesor i realizacijom akcije određene tom instrukcijom. U zavisnosti od izvršene instrukcije donosi se sledeća itd. Svi savremeni računari napravljeni su prema Fon Nojmanovim zamislima pa se stoga i nazivaju računarima Fon Nojmanovog tipa.

CPU

Kontrolna jedinica dekodiranjeprihvatPriprema instrukcije

ALU izvršavanje

upis rezultata Izvršavanje naredbe

MEMORIJA

12

MIKROPROCESOR

Generator takta

Sve što se događa unutar računarskog sistema zasniva se na prenosu signala koji se putem magistrala prenose između različitih komponenti. Najmanja zajednička mera za sve signale u računaru je jedan takt. Veličina takta zavisi od posebnog kola se zove generator takta.

Svi mikroprocesori funkcionišu u određenom ritmu koji zavisi od generatora takta. Generator takta je kvarcni kristal koji se najčešće nalazi izvan ikroprocesora i generiše ulazne impulse za mikroprocesor. Postoje i takvi mikroprocesori koji već sadrže u sebi generator takta. Kristal konstantnom brzinom generiše impulse, i od učestanosti tih impulsa zavisi brzina rada mikroprocesora a samim tim i celog računara. Brzina mikroprocesora meri se brojem ciklusa u sekundi tj. brojem herca. Za izvršenje jedne instrukcije neophodan je bar jedan ciklus a za većinu nekoliko ciklusa.

Na osnovu taktovanih signala u unutrašnjosti mikroprocesora se prihvata serija signala koju dalje koriste druge komponente mikroračunara. Postoje tri šeme povezivanja mikroprocesora sa generatorom takta.

13

MIKROPROCESOR

3. ARHITEKTURA MIKROPROCESORA

Pod arhitekturom mikroprocesora podrazumevamo njegovu logičku organizaciju a ne harverski sklop. Arhitktura se razlikuje kod svake generacije mikroprocesora u zavisnosti da li su 8-bitni, 16-bitni... međutim, postoje elementi koji se javljaju kod skoro svih proizvođača i to su:

Registri ( Registers ) se javljaju kod svih procesora. Mogu se razlikovati registri opšte namene ( general purpose registers ) i specijalizovani registri koji imaju unapred fiksiranu namenu. Registri opšte namene mogu služiti u različite svrhe, za realizaciju aritmetičko logičkih operacija, kao brojači i sl.

Akumulator ( Accumulator ) se obično ubraja u registre opšte namene i preko njega se realizuje većina instrukcija.

Indeksni registri ( Index register ) je takođe registar opšte namene i njihov broj kreće od jedan ka naviše. On čuva adresu nekog podatka ili nekakav sadržaj na osnovu kog se formira adresa podatka.

Pokazivač instrukcija ( Instruction pointer ) je specijalizovan registar i ukazuje na sledeću instrukciju ( sadrži njenu adresu ) koja treba da se izvrši. Kod nekih instrukcija se naziva i programski brojač.

Stek pokazivač ( Stack pointer ) može biti i registar opšte namene i specijalizovani registar. Pokazuje koji je prvi podatak u steku. Stek je organizacija podataka u memoriji za koju važi da se poslednji upisan podatak uzima prvi prilikom obrade.

Zastavica registar ( Flag register ) čini ćelije od kojih se svaka može tretirati kao zastavica. Ako ćelija sadrži 1 zastavica je podignuta, a ako sadrži nulu spuštena. One ukazuju na stanje posle izvršenja nekih operacija, npr. da li je rezultat negativan ili ne, itd. Takođe se naziva i status registar jer ukazuje na status mikroprocesora nakon izvršene operacije.

Aritmetičko logička jedinica ( ALU Arithmettic Logic Unit ) je funkcionalni blok koji izvodi operacije nad celim brojevima. U savremenim procesorma ovde se radi o komplikovanim blokovima u kojima se vrši pripremanje i izvršavanje instrukcija. Takođe se nazivaju i celobrojne tekuće linije ( Integer pipeline ).

14

MIKROPROCESOR

Jedinica za brojeve sa pokretnom tačkom ( Floating point unit ) služi za izvođenje operacija nad brojevima zapisanim u decimalnom obliku pri čemu se celobrojni deo odvaja od razlomljenog decimalnom tačkom. Ovu jedinicu poseduju samo savremeni procesori, kod starijih računara ona je bila odvojena od mikroprocesora i nazivala se koprocesor.

Upravljačka jedinica ( Control unit ) naziva se komandni blok i predstavlja funkcionalnu celinu čiji je glavni deo dekoder. Pomoću dekodera se vrši dešifrovanje instrukcija na osnovu njegovih kodova.

Interfejs magistrala ( Bus interface ) predstavlja funkcionalni blok mikroprocesora preko kojeg se upravlja svim magistralama.

Keš memorija ( Cashe ) je brza memorija koja ima ulogu posrednika između RAM-a i ostalih komponenata mikroprocesora. Javljaju se samo kod savremenih mikroprocesora jer je njihova brzina znatno veća od brzine operativne memorije.

Baferi ( Buffers ) su prihvatni registri koji se pridružuju raznim komponentama mikroprocesora, mogu da posluže za prihvat instrukcija ili podataka.

4. KARAKTERISTIKE MIKROPROCESORA

4.1. OSNOVNE KARAKTERISTIKE 8-BITNIH MIKROPROCESORA

Zajedničke karakteristke 8-bitnih mikroprocesora su:1) dužina reči 8 bita2) adresibilna memorija 64 K bajta3) arhitektura pretežno zasnovana na akumulatorima4) adresna magistrala ima dužinu 16, a magistrala podataka 8 5) dužina fleg registra je 8

Instrukcije se realizuju preko aritmetičko logičke jedinice, pri čemu se jedan operand nalazi u akumulatoru a drugi se iz memorije ili nekog registra. Rezultat se najčešće upisuje u akumulator.

Na osnovu adresnog dela komande formira se izvršna adresa tj. adresa lokacije u memoriji koja sadrži potrebni podatak. Kod 8-bitnih mikroprocesora se pojavljuje pojam multipleksiranja tj. linije preko kojih se penose el. signali u prvom taktu faze izvršenja pripadaju adresnoj magistrali a u ostalim taktovima magistrali podataka. Taj proces izmene uloga pojedinih linija omogućavaju el. kola koja se nazivaju multiplekseri. Mašinski ciklus sadrži 3 do 6 vremenskih taktova.

Kod AdresniOperacije Deo

15

MIKROPROCESOR

4.2. OSNOVNE KARAKTERISTIKE 16-BITNIH PROCESORA

Prvi 16-binti procesor

Osnovne karakteristike su:

1) dužina reči 16 bita2) adresibilna memorija od 1 do 16 Mb3) magistrala podataka je 16, a a adresna od 20 do

24 bita4) prednost u odnosu na osmobitne procesore je povećanje brzine za 5 do 20 puta5) takođe vrše multipleksiranje signala6) mašinski ciklus traje od 2 do 30 taktova

Kod 16-bitnih procesora javlja se pojam segmentacije. Za formiranje memorijske adrese potrebna su dva broja : broj segmenta i dodatak. Razlog tome je podela memorije po segmentima, gde je jedan veličine 64K. Postoje 4 segmenta:

1) kodni segment služi za zapis instrukcija2) segment podataka namenjen podacima kojima se operiše3) stek segment za rad sa stekom tj. sa podprogramima4) ekstra segment takođe namenjen radu sa podacima

Dolazi do pojave rada sa virtualnom memorijom ( proširenje unutrašnje memorije na račun spoljašne, memorija je raspoređena po segmentima pa procesor preko uređaja za upravljanje nalazi da li se potreban segment nalazi na spoljašnoj ili unutrašnjoj memoriji), multiprogramski režim rada ( kada procesor može istovremeno da rešava više zadataka) i tekućim linijama pomoću kojih se ubrzava rad mikroprocesora.

4.3. OSNOVNE KARAKTERISTIKE 32-BITNIH PROCESORA

Prvi 32-bitni procesor “80386”

Napravljeni su sa znatno većim stepenom integracije u odnosu na prethodnike, što je uticalo na povećanje brzine rada, uvećanje adresnih mogućnosti, mogu adresirati 4 Gb memorije, i niz drugih poboljšanja. Glavna tehnička novina je ugrađena keš memorija.

Keš memorija je sastavni deo mikroprocesora i znatno je brza od osnovne memorije. Sve podatke s kojima operiše mikroprocesor traži iz keš memorije ili šalje u nju. Takođe jedna od novina je i jedinica za upravljanje memorijom.

16

MIKROPROCESOR

Sadrži deo za rad sa segmentimai deo za rad sa stranicama. Stranice se koriste za rad sa virtualnom memorijom. Podaci se cuvaju po stranicama u spoljašnjoj memoriji i tek kada su potrebni učitavaju se u unutrašnju memoriju. Najznačajnije poboljšanje je dodavanje jedinice za rad u pokretnom zarezu, tj. poseban čip koji se naziva koprocesor.

4.4. OSNOVNE KARAKTERISTIKE 64-BITNIH PROCESORA

Prvi 64-bitni procesori Itanium i Itanium2.Ključna karakteristika:

- da se kroz uvođenje tzv. grupe instrukcija eksplicitno istovremeno aktiviraju više procesnih jedinica na koje se pojedine instrukcije iz grupe šalju paralelno na izvršavanje.

posao preraspoređivanja instrukcija po procesnim jedinicama, se sa procesora prebacuje na prevodioca.

paralelno se izvršavaju po 3 instrukcije iz grupe, odnosno u jednom ciklusu takta 2 grupe instrukcija, što daje 6 instrukcija po ciklusu takta.

64-bitni procesori imaju i režim kompatibilnosti sa 32-bitnim procesorima. ovaj režim je implementiran odvojeno od ostatka procesora, kako bi se u

jednom trenutku odgovarajući resursi izbacili

17

MIKROPROCESOR

5. PENTIUM PROCESORI

Najznačajniji proizvod mikroprocesorske industrije u poslednjoj deceniji 20. veka je Pentium. Intel je nastojao da :

1. očuva kompatibilnost sa familijom 80x86 i omogući dalje korišćenje postojećeg softvera

2. napravi novi mikroprocesor koji ne bi imao nedostatke i zastarela rešenja familije 80x86

Zatim, Pentium je koncipiran tako da:1. ima određen broj karakteristika tipičnih za RISC mikroprocesore 2. zadržava mnoge karakteristike CISC mikroprocesora

Pentium predstavlja neku vrstu hibrida nastalog kombinovanjem RISC i CISCkoncepcija. Ima 273 nožice od kojih se 6 ne koriste i zauzima površinu od 14 cm2.

Osnovne komponente njegove arhitekture su :1) interfejs magistrale2) jedinica za predviđanje grananja3) dve keš memorije4) kontrolna jedinica5) dve tekuće linije za rad sa celim brojevima6) registri7) ROM sa mikrokodom8) jedinica za rad sa okretnim zarezom

Keš memorija se ugrađuje na dva načina kod savremenih mikroprocesora: kao integrisana unutar mikroprocesora ili izvan mikroprocesora kao komponenta koja povezuje mikroprocesor i unutrašnju memoriju. Savremeni računari obično imaju obe, unutrašnju L1 i spoljašnu L2. Pentium poseduje unutrašnju memoriju koja je podeljena na dva dela od po 8 Kb. Jedan deo je namenjen instrukcijama a drugi podacima. Mikroprocesor se obraća memoriji u dva slučaja: prilikom čitanja i prilikom upisa podataka.

18

MIKROPROCESOR

6. PROCESORI SA VISE JEZGRA(Multi-core processor)

Procesori sa vise jezgra omogućavaju obavljanje više zadataka istovremeno, a obavljanje višestrukih instrukcija je 1.5x brže od jednojezgrenog procesora skladnih karakteristika,

ali imaju i određene potrebe koje proizlaze iz te tehnologije kao što je konstantna aktivnost svih jezgara. Donose niže radne taktove po jezgru, manje zagrevanje, ali i manju potrošnju energije, čemu su se naročito obradovali proizvođači prenosnika kojima to omogućava povećanje autonomije. U primeni višejezgreni procesori su zahtevali određene zahteve od strane korisnika, a posebno profesionalnih, koji su vršili razvoj programa i softverske potpore za takve sisteme.

Sada treba obratiti pažnju na konstrukciju programa koje procesori izvode, te se zahteva redizajn programa zbog maksimalne iskoristivosti više jezgara i čemu se programi moraju smisleno podeliti na podjednake delove. Delovi se paralelno izvode u različitim jezgrima. Po završetku izvođenja jedno jezgro prikuplja rezultate i daje konačno rešenje zadatka.

Spomenuli smo ideju višeprocesorskih sistema koji su prethodili višejezgrenima, ali noviji koncept se pokazao boljim, jer koriste manji broj komponenti, s manjom potrošnjom energije, a komunikacija je puno brža, jer je sam fizički razmak među jezgra manji.

Šta smo dobili od višejezgrenosti?

Konkretni rezultati koje nam je ova tehnologija donela su efikasno iskorišćenje dostupnih tranzistora, povećanje protočnosti i brzine paralelnih aplikacija, omogućavanje bližeg sparivanja jezgara, brža komunikacija komponenti, manja potrošnja energije, isključivanje neaktivnih jezgara ,te je omogućen dalji neometan rast performansi pod uslovom daljeg napretka na polju povećanja stepena integracije.

Ipak tu je i par nedostaka, efektivno povećanje brzine oseti se samo kod paralelnih aplikacija. Brzina memorije postaje ograničavajući faktor u povećanju brzine komunikacije, te i problemi u prilagođavanju programa tokom prelaznog razdoblja. Isključivanje neaktivnih jezgara jedna je u nizu vrlo korisnih inovacija u ovoj tehnologiji, a omogućava drastične uštede u potrošnji energije što naročito cene vlasnici i proizvođači prenosnika.

19

MIKROPROCESOR

7. HLAĐENJE MIKROPROCESORA

Svi današnji procesori imaju odlične perforamanse ali imaju i jednu manu a to je pregrijavanje. Međutim, i taj problem je resen. Firme koje prave coolere za procesore(Yalman, GlacialTech, Spire,...) uspeli su da donekle spuste temperature procesora, koja veoma skače kod izvršavanja zahtevnih aplikacija. Temperatura procesora najčešće skače za vreme obrade. Cooleri za procesore se sastoje od pasivnog i aktivnog dela. Pasivni je građen od aluminijuma i bakra, a aktivni je ventilator, koji hladi pasivni deo. Da bi cooler mogao ohladiti jezgro procesora, potrebno je da na jezgru stavimo termalnu pastu, koja upija toplotu i tu toplotu cooler poništava.Pored ovakve vrste hladjenja postoji i vodeno hladjenje, hladenje pomocu freona...itd

20

MIKROPROCESOR

ZAKLJUČAK

Široka primena mikroprocesora je poseldica njegove velike fleksibilnosti,pouzdanosti, male potrošnje, malih dimenzija, relativno male cene prema tehničkim karakteristikama. Zato su mikroprocesori zamenili do tada složene digitalne i analogne sklopove pa i cele računare tj. nekadašnje mikroračunare.Procesor danas ima široku primenu u mnogim područjima.

U svetu mikroprocesora, Intel je imao apsolutni primat sve do kraja devedesetih godina prošlog veka. Uprkos dugoj tradiciji kompanije, AMD je tek sada postao ozbiljan Intelov konkurent, najviše zahvaljujući svojoj inovativnosti, za razliku od ranijeg “kopiranja proizvoda”.

21

MIKROPROCESOR

LITERATURA

1. Dr. Živko Tošić i Miomir Ranđelović “Računari” udžbenik za četvrti razred elektrotehničke škole obrazovanog profila elektrotehničar računara.2. www.wikipedia.org3. www.cet.co.yu4. www.howstuffworks.com5. www.bug.hr

22