Curs Ms 1 Introduce Re 2014

•1

Sisteme cu Microprocesoare, 2013-2014, sem. II

1

SISTEME CU SISTEME CU MICROPROCESOAREMICROPROCESOARE

SISTEME CU SISTEME CU MICROPROCESOAREMICROPROCESOARE

Profesor Liliana DobricaUniversitatea POLITEHNICA Bucuresti

Facultatea Automatica si Calculatoare


2

ContactContact

♣ Profesor: Liliana DOBRICA

♣ Email: [email protected]

♣ Birou: ED415

♣ Laborator: ED312

•2


3

Obiectivele cursului

Obiective generale:

� Obținerea de experiență în abordarea subiectelor tehnice complexe și capacitatea de a digera informații tehnice detaliate într-un interval de timp rezonabil de scurt;

� Dezvoltarea abilității de a combina creativitatea cu abordarea metodică a proiectării hardware și software pentru a minimiza numărul de erori;

� Dezvoltarea atenției către detalii la implementarea proiectării;

� Obținerea de experiență în aplicarea metodelor de rezolvare a problemelor pentru a găsi soluții ce satisfac un set de constrângeri, debugging hardware/software.


4

Obiectivele cursului

Obiective specifice:

�Înțelegerea legăturii dintre conceptele logicii digitale de nivel jos și conceptele arhitecturii de nivel înalt.

�Înțelegerea execuției unei instrucțiuni etapa cu etapa.

�Înțelegerea conceptelor precum: magistrala, memorie, interfațarea subsistemelor la magistrala, întreruperi.

•3


5

Evaluarea cunoştinţelor

• Structura cursului: 14 săpt. x 3 ore/săpt. = 42 ore curs14 săpt. x 2 ore/săpt. = 28 ore aplicații

• Metoda de evaluare a cunoștințelor: evaluarea continuă

• Evaluarea activității la curs: 1 examen scris (sesiunea de vară) + prezenta la curs

• Evaluarea activității aplicative: 3 lucrări (3 teme de casa + prezenta laborator) + 1 proiect de semestru


6

Evaluarea cunoştinţelor

Examen:• Sesiunea de vară:

pondere 50 % din nota finală,condiție de promovare: minimum 5

Aplicații:Laborator3 teme de casă, notate de la 0 la 10Prezență (fiecare laborator 1 punct – primele 10 laboratoare)Notă laborator minim 5

Pondere în notă finală 20 %

Proiect, notat de la 0 la 10, nota minimă5Pondere în nota finală 30 %

•4


7

Cuprins curs

1. Introducere. Evoluția microprocesoarelor.2. Elemente de baza privind sistemele cu microprocesoare: arhitectura interna

a microprocesoarelor; arhitectura sistemelor cu microprocesoare; memoria si microprocesorul; elemente ale arhitecturii I/O; modelul de programare.

3. Moduri de operare ale microprocesoarelor: modul real si modul protejat –descriere, translatare a adreselor, setul de instructiuni.

4. Gestiunea memoriei: segmentare si paginare; memorie fizica si memorie virtuala; procesul de translatie a adreselor.

5. Multitasking si protectia memoriei: modelul de protectie; accesul la cod si date prin modelul de protectie; task; segmentul de stare a taskului; comutarea taskurilor;

6. Intreruperi. Controlerul de intreruperi 8259A7. Sistemul de memorie8. Sistemul de intrari/iesiri9. Pentium si tendinte de dezvoltare in domeniu


8

Bibliografie curs

�Barry B. Brey - Intel microprocessors: 8086/8088, 80186/80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro Processors, Pentium II, Pentium 4, and Core2 with 64-bit Extensions: Architecture, Programming, and Interfacing; Eighth Edition, Pearson Education International

•5


9

Bibliografie curs

�Walter Triebel, The 80386DX Microprocessor - Hardware, Software and Interfacing ;

�David Patterson, John Hennessy, Computer Organization and Design – The Hardware/Software Interface, Ed. Morgan Kaufmann;

�www.intel.com

�Alte materiale vor fi recomandate pe parcurs.


10

INTRODUCERE

Legea lui MooreLegea lui MooreGordon Moore (INTEL) – 1965:

“numărul de tranzistoare de pe un chip se va dubla la fiecare doi ani”

� Legea lui Moore a “alimentat” o revoluție tehnologică, pe măsură ce Intel a crescut exponențial numărul de tranzistoare integrate în procesoarele sale pentru a spori performanțele și a eficientiza consumul de energie.

•6


11

INTRODUCERE

Legea lui MooreLegea lui MooreGordon Moore (INTEL) – 1965:

“numărul de tranzistoare de pe un chip se va dubla la fiecare doi ani”


12

INTRODUCERE

Evolutia microprocesoarelor Intel• Microprocesoare pe 4 biti• Microprocesoare pe 8 biti• Microprocesoare pe 16 biti• Microprocesoare pe 32 de biti• Generatia Pentium• Microprocesoare Multiple Core

•7


13

Evolutia microprocesoarelor Intel

• 4004 – Microprocesor pe 4 biti.

• Primul microprocesor a fost introdus in 1971.

• Latimea magistralei: 4 biti; Memorie adresabila: 4096 x 4 biti.

• Setul de instructiuni: 45 instructiuni - operatii aritmetice.

• Aplicatii: jocuri video si sisteme de control.

• Probleme: viteza, latimea cuvantului, dimensiunea memoriei.

• 8008 – Microprocesor pe 8 biti.

• Primul microprocesor pe 8 biti, (1972).

• Latimea magistralei: 8 biti; Memoria adresabila: 16K x 8 biti.

• Setul de instructiuni: 48 instructiuni.

• Aplicatiile: manipulari de date.

• Limitari: viteza redusa, dimensiunea mica a memoriei, set de instructiuni limitat.


14


• 8080 - al doilea microprocesor pe 8 biti (1974)

• Latimea magistralei: 8 biti; Memoria adresabila: 64K x 8 biti. • Setul de instructiuni a crescut in numar si performanta. Instructiunile

erau executate de 10 ori mai rapid decat 8008 (e.g. 2 microsecs pentru o adunare).

• Aplicatiile: similare microprocesoarelor precedente.

• 8085

• Apare in 1977 si contine un generator de ceas un controler intern al sistemului.

• Latimea magistralei: 8 biti; • Setul de instructiuni a crescut in performanta (e.g. adunarea in 1.3

microsecs.).• Aplicatiile: similare microprocesoarelor precedente.

•8


15


• 8086 – Primul microprocesor pe 16 biti (1978).

• Latimea magistralei: 16 biti;• Memoria adresabila: 1MByte;• Setul de instructiuni : se extinde cu instructiuni de inmultire si impartire; • Numarul si complexitatea instructiunilor reprezinta elementele care incadreaza acest

microprocesor in categoria CISC - complex instruction set computers. • Intel extinde familia 8086 cu introducerea 80186 si 80188, si adauga coprocesorul

8087 (procesorul matematic pentru operatii in virgula mobila). • 8088 a fost utilizat de IBM Corporation in PC-uri (calculatoare personale). Primele

aplicatii ale PC-urilor erau masini de procesare a cuvintelor sau mini-calculatoare.

• Limitari pentru bazele mari de date.


16


• 80286

• Apare in 1982. • Memoria adresabila: 16 Mbyte.• Intel 80287 – coprocesorul matematic. • Operare in modul protejat

•9


17


• 80386 (SX/DX)- Primul microprocesor pe 32-biti.

• Procesorul opera la frecvente de 16-33 MHz pe magistrala sistemului si putea fi acompaniat de 80387 FPU.

• 80486 (SX/DX2/DX4)

• Unitatea Centrala de Prelucrare (UCP) pe 32 biti. • 8KB de L1 cache si FPU integrat in chip.

Co-Processor

8K L1

cache memory

33MHz

CPU

80486DX


18

Generatia Pentium

• Modificari mai importante:

• Procesul de decodificare si executie a instructiunilor;• Suport pentru memorie mai mare de 4 GB;• Cresterea in performanta si marime pentru memoria

cache L1 si L2;• Adaugarea unui nou nivel de memorie cache;• Cresterea vitezei de operare interna sau externa.

•10


19

Generatia Pentium

• Pentium: (1993)

• Initial numit P5 sau 586• Microprocesor pe 32-biti, latimea magistralei de date de 64-biti • 32-biti magistrala de adrese - memorie adresabila: 4GB.• Frecvente de ceas de 60, 66, 90 MHz.• Tehnologie superscalara.• Aplicatii: realitate virtuala; video comparabile cu televiziunea comerciala

Co-Processor

16K L1

cache memory

66MHz

Int CPU1

Pentium

Int CPU2


20

IntroductionDiagrama Block a Pentium

Principalele caracteristici

- Arhitectura superscalara

-U,V pipelines – five stages

-FPU –eight stages

-2 x 32-bytes prefetch buffer – permite suprapunerea executiilor instructiunilor in pipelines

-predictia dinamica a ramnificatiilor (Branch target buffer) – creste viteza de executie a programelor prin anticiparea ramurilor si garanteaza disponibilitatea acelor instructiuni in cache.

- Cache pentru instructiuni (write-through SRAM), cache pentru date cache (write-back SRAM) de 8 Kbyte capacitate fiecare.

- 64 bit magistrala de date; 32 bit magistrala de adrese

- Capacitate de procesare duala

- APIC (controlerul de intreruperi) in chip.

1997 Pentium MMX- Include o unitate MMX (extensie multi-media): 8 noi

registre 64-biti + 57 instructiuni MMX cu 4 noi tipuri de date.

Limitarea utilizarii – lipsa unui limbaj de nivel inalt ca suport pentru aceste instructiuni.

Bus Interface Unit

32 bit Address Bus

I-Cache (8KB)

Brach Target Buffer

Control Unit

Prefetch Buffer

Fetch and Decode Unit

Control Bus 64 bit Data Bus

D-Cache (8KB) TLB TLB

Microcode

ROM

Clock

Multiplier

Dual Pipeline

Execution Unit

U-Pipeline V-Pipeline

ALU ALU

Registers

Floating Point

Unit

Advanced

Programmable

Interrupt

Controller

•11


21

Generatia Pentium

• Pentium Pro (1995)

• Microprocesor optimizat pentru instructiuni pe 32-biti; 64-biti magistrala de date; configurabil la 36-biti magistrala de adrese.

• Memorie principala configurabila: 4GB sau 64GB.• Aplicatii: servere de date

Co-Processor

16K

L1

cache

memory 66MHz

Int CPU1

Pentium Pro

Int CPU2

Int CPU3

256K

L2

cache


22

Generatia Pentium Pentium PRO

Diagrama bloc functionala a Pentium PRO

•12


23

Generatia Pentium

Pentium PRO –Executia out-of-order a instructiunilor – Executie dinamica ce

incorporeaza urmatoarele concepte:

• predictia ramurilor de program, • analiza fluxului de date dinamic, • executie speculativa


24


• Predictia ramurilor de program.. Permite procesorului sa decodifice instructiunile anticipat inaintea ramurilor de program astfel incat pipeline-ul de instructiuni sa se mentina plin. Unitatea de extragere/decodificare a instructiunilor foloseste un algoritm optimizat de predictie. Astfel directia fluxului de instructiuni este anticipata prin nivelurile multiple ale ramurilor sau apelurile de proceduri si reveniri.

•13


25


• Analiza fluxului de date dinamic implica o analiza in timp real afluxului de date din procesor pentru a determina dependente dintredate si registre si pentru a detecta oportunitati pentru executia out-oforder.

• Unitatea de executie poate monitoriza simultan mai multeinstructiuni si poate executa acele instructiuni intr-o ordine astfelincat sa utilizeze in mod optim multiplele unitati de executie aleprocesorului. Se pastreaza in acelasi timp integritatea datelorasupra carora se opereaza.

• Aceasta executie mentine ocupate unitatile de executie chiar siatunci cand apar evenimente de tipul “lipsa din cache” saudependente de date intre instructiuni.


26


Executie Speculativa. • Se refera la abilitatea procesorului de a executa instructiunile anticipat,

inaintea contorului program. Totusi rezultatele sunt oferite/predate in ordinea originala a fluxului de instructiuni.

•14


27

Generatia Pentium

• Pentium II (1997)

• O noua directie pentru Intel - small circuit board;

• Microprocesor pe 32-biti (Pentium PRO cu extensie MMX); magistrala de date de 64-biti si magistrala de adrese de 36-biti.

• Memoria adresabila 64GB.

Co-Processor

32K

L1

cache

memory 66MHz Int CPU2

Pentium II

Int CPU3

Int CPU1

512K

L2

cache

133MHz

Module (small PCB)


28

Generatia Pentium

• Pentium III: (1999)

• Microprocesor pe 32-biti; magistrala de date de 64-biti si magistrala de adrese de 36-biti.

• Memorie principala de 64GB.• Memorie cache nivel L1, separat pentru date si instructiuni 32KB (16KB

fiecare).

Co-Processor

16K

L1

cache

memory 133MHz

Int CPU1

Pentium III

Int CPU2

Int CPU3

256K

L2

cache

•15


29

Pentium III


30

Generatia Pentium

• Pentium IV si Core2: (2002)

• 2MB L3 cache (editie speciala) – pentru seturi mari de date ce pot fi memorate in aceasta memorie a procesorului.

• 512KB L2 cache;• L1 data cache (8 KB); L1 instruction cache insotit de Execution Trace Cache• 400 MHz system bus (quad pumping a 100MHz bus) (3.2 GB/sec).• Specializat pentru aplicatii: de streaming video, jocuri and DVD apps (144 noi instructiuni

SIMD).• Support for 200/266MHz DDR (Double Data Rate) SDRAM (Synchronous DRAM).

•16


31

Introduction


32

Microprocesoare 64-biti si multiple Core

• Noi versiuni de microprocesoare:

• Abilitatea de a adresa mai multa memorie - Microprocesoare cu 40 pini de adrese ce pot adresa 1 T (terabyte)

• Efectuarea operatiilor arimetice cu intregi pe 64-biti;• Itanium – microprocesor cu o noua arhitectura interna EPIC (Explicitly

Parallel Instruction Computing) pe 64 biti cu un nivel ridicat de paralelism.

•17


33

Viitorul microprocesoarelor!

• Tehnologie Hyper-threading – prelucrare paralela fara a necesita scrierea vreunui program special;

• Noi arhitecturi de microprocesoare - EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing ) – Itanium –magistrala de date de 128-biti; 128 registre generale.

• Memorii rapide si de capacitati mari (memorii SRAM) • Memorii flash cu viteza de scriere comparabila ce cea

a hard-diskului.

Curs Ms 1 Introduce Re 2014

Documents

Transcript of Curs Ms 1 Introduce Re 2014