Ministerul Învațămîntului și Educației al Republicii MoldovaUniversitatea de Stat „ Bogdan Petriceicu Hasdeu” din

CahulFacultatea Economie, Informatică și Matematică

Specialitatea:IT-1301

La Disciplina: TCI

Referat

Tema: Microprocesorul

Efectuat: Lavric Stelia Verificat: POPOVICI ILONA

Cahul,2013

CUPRINS:

MEMORIU JUSTIFICATIVArhitectura internă

Caracteristicile procesoruluiProcesorul – FuncţionareFamilii de procesoare

MEMORIU JUSTIFICATIVMicroprocesorul: este o componentă electronică ce poate

procesa două tipuri de informaţie: date şi comenzi; el primeşte şi trimite

aceste informaţii, codate în limbaj binar, prin impulsuri electrice.

     În ciuda complexităţii sale, microprocesorul este alcătuit în principal

dintr-un singur element de bază: tranzistorul (inventat în 1947). Asamblând

milioane de tranzistori, se pot crea comenzi ce analizează starea unor

curenţi electrici, rezultând în execuţia pe plan logic a unei adunări, a unei

comparaţii între două date etc. Mărimea unui astfel de tranzistor este foarte

redusă, de ordinul miilor de atomi. Toate componentele calculatorului,

inclusiv procesorul si memoria, sunt sincronizate de impulsurile unui

generator de tact.

     Când vorbim despre procesoare, ne gândim automat la CPU (Central

Processing Unit), însă majoritatea componentelor dintr-un PC sunt dotate

cu microprocesoare, acestea controlând placa de sunet, de reţea sau placa

grafică (unde este folosită denumirea de GPU - Graphic Processing Unit,

procesor ce rivalizează în număr de tranzistori cu un CPU). Circuitele

procesoare ale componentelor şi perifericelor sunt atât de specializate

încât nu pot comunica direct între ele; în schimb, ele depun informaţiile utile

în zone specifice ale memoriei, de unde procesorul le poate extrage,

prelucrând şi coordonând activitatea acestora. Deoarece toate informaţiile

tranzitează obligatoriu CPU-ul, puterea globală de calcul a calculatorului va

depinde de acesta. În contrast, CPU-ul este un procesor cu un grad mai

redus de specializare şi, prin urmare, cu o arie foarte largă de utilizare.

Arhitectura internă      Arhitectura internă se împarte schematic în trei mari blocuri de

tranzistori, numite şi unităţi:

1) Unităţile de calcul:- unitatea aritmetică (ALU - Aritmetic Logical Unit), este cea mai

importantă, fiind utilizată de toate programele; se ocupă numai de calculele

simple, cu numere întregi;

     - unitatea de calcul în virgulă mobilă (FPU - Floating Point Unit), era la

origine un procesor independent (seria 8087, 80287, 80387) dar a fost

integrată în procesorul principal în 1989, odată cu apariţia lui 80486;

aceasta este capabilă de operaţii matematice cu virgulă mobilă, precum şi

de altele mai avansate, cum ar fi funcţiile trigonometrice;

     - unitatea multimedia, nestandardizată; prima astfel de unitate a fost

MMX, în 1997, urmată apoi de 3DNow, SSE, 3DNow+, SSE2 şi SSE3;

funcţia lor este aceea de a optimiza programele multimedia (sunet,

grafică 3D, efecte audio-video).

     2) Unităţile de control, care se ocupă cu decodarea instrucţiunilor,

accesul la memoria RAM, stabilirea priorităţilor de calcul etc.

2) Unitatea de memorie cache, împărţită în două subunităţi: una

pentru comenzi, cealaltă pentru date; memoria cache stochează

comenzile şi datele cele mai des utilizate.

Caracteristicile procesorului

a) Frecvenţa     Cea mai comună proprietate a unui procesor este frecvenţa de tact,

aflată în relaţie directă cu puterea sa de calcul. Unitatea de măsură a

frecvenţei este ciclul pe secundă sau Hertz-ul. O viteză de 400 MHz face

ca microprocesorul să poată prelucra 400 de milioane de semnale binare

(0, 1) pe secundă. Creşterea frecvenţei microprocesorului este o metodă

importantă de a creşte performanţele.

     În ultimii ani, din cauza creşterii masive a consumului de putere (fapt

care ducea atât la supraîncălzirea componentelor, cât şi la creşterea

facturilor la energia electrică), s-a pus accentul pe crearea altor metode de

creştere a vitezei, astfel încât bariera de 4 GHz nu a fost atinsă.

     Datorită diferenţei de arhitectură dintre diferitele generaţii de

procesoare, puterea de calcul poate varia în cazul a două procesoare cu

aceeaşi frecvenţă dar aparţinând unor generaţii diferite. De aceea,

capacitatea de calcul a unui Pentium 100 MHz ar fi apropiată de cea a unui

ipotetic 486 la 200 MHz. Un exemplu recent îl constituie procesoarele

bazate pe arhitectura Intel Core, ce rulează la frecvenţe de ordinul a 2

GHz, dar depăşesc în performanţă vechile Pentium 4 ce aveau un tact de

peste 3 GHz.

     Frecvenţa unui procesor este direct legată de mărimea circuitelor

interne. Fabricantul trebuie să găsească un echilibru în reducerea

dimensiunii circuitelor; scăderea acestora provoacă reducerea căldurii

disipate şi, dacă tehnologia este bine stăpânită, permite creşterea

frecvenţei de lucru; pe de altă parte, frecvenţa mare determină automat şi o

temperatură ridicată.

b) Memoria cache  Memoria cache este o memorie de mare viteză, inclusă în totalitate în

procesor (la modelele actuale) sau pe placa de bază (la cele mai vechi),

care păstrează informaţiile şi datele cele mai recent utilizate. Aceasta este

împărţită pe mai multe nivele (levels), în funcţie de „distanţa” faţă de

unitatea de calcul. Astfel, memoria cache level 1 poate fi accesată imediat,

cu stadii minime de aşteptare, deoarece lucrează la viteza procesorului,

fiind strâns legată de nucleul acestuia. Memoria cache level 2 este de

obicei mai mare şi a cunoscut o evoluţie marcantă; iniţial, ea a fost

încorporată pe placa de bază şi oferea o viteză mică; apoi a fost alăturată

procesorului, funcţionând la o viteză fracţionată dar comparabilă cu acesta;

în final, ea a fost integrată în pastila de siliciu a acestuia, având astfel o

viteză egală cu cea a CPU-ului. Avantajul memoriei cache constă în

reducerea timpilor de aşteptare, deci în creşterea vitezei de lucru,

deoarece memoria RAM a sistemului este mult mai lentă decât procesorul.

     Avantajul memoriei cache (level 1 sau level 2) se poate observa uşor,

dezactivând-o din BIOS (dacă el permite acest lucru). Ca fapt divers,

eliminarea L1 cache-ului din orice procesor, oricât de modern ar fi, chiar

dacă rulează la 1 sau 2 GHz, chiar dacă deţine memorie L2 cache

integrată şi de dimensiune mare, va produce scăderea performanţelor până

aproape de nivelul unui 486.

     Există mai multe tipuri de memorie cache, diferind în funcţie de

arhitectura procesorului.

c) Arhitecturile RISC şi CISC Aceste arhitecturi definesc felul în care comenzile sunt executate în

microprocesor. Arhitectura CISC (Complex Instruction Set Computer) a stat

la baza primelor modele. Cu timpul, cercetătorii au constatat faptul că o

suită de instrucţiuni simple se poate executa mai rapid decât o singură

instrucţiune complexă, iar diminuarea numărului de comenzi şi a

complexităţii lor permite

reducerea spaţiului utilizat de acestea în procesor, având ca şi consecinţă

creşterea vitezei de lucru, astfel apărând arhitectura RISC (Reduced

Instruction Set Computer). Procesoarele uzuale din ziua de azi au la bază

o combinaţie a celor două arhitecturi.

d) Execuţia super-scalară, procesoare multi-core     Super-scalar înseamnă posibilitatea de a executa mai multe instrucţiuni

simultan prin integrarea mai multor unităţi de calcul. Primul procesor super-

scalar din lumea PC-urilor a fost Pentium; acesta integra două ALU

(Arithmetical Logic Unit).

     O extensie a acestui concept o reprezintă includerea mai multor nuclee

într-un singur procesor; practic, avem două procesoare ce prelucrează

instrucţiunile şi datele în paralel (aproape dublând performanţa în aplicaţiile

optimizate pentru acest mod de lucru) dar care sunt încapsulate într-un

singur element pe care îl numim generic „procesor”.

     e) Unelte de dezvoltare (software)Puterea unui procesor este inutilă dacă nu există programe care să-l

exploateze la maxim. Programele sunt scrise cu ajutorul limbajelor de

programare, dar progresul lor este relativ lent faţă de evoluţia

procesoarelor, ceea ce atrage un decalaj cvasi-permanent între hardware

şi software. De exemplu, primul compilator care exploata eficient

procesoarele Pentium şi Pentium II, o versiune a lui Visual C++, a apărut în

1999, abia după doi ani de la lansarea lui Pentium II şi la şase ani după

apariţia lui Pentium.

     Chiar dacă puterea de calcul a procesoarelor a crescut de mii de ori în

ultimii 20 de ani, nu înseamnă că un program de editare de text este de mii

de ori mai rapid. O mare parte din această putere de calcul a fost transmisă

către funcţii din ce în ce mai numeroase şi mai complexe, utile de exemplu

în aplicaţii multimedia.

PROCESORUL - FUNCTIONARE

Componenta ce are rolul de a dirija celelalte dispozitive , de a împarti

sarcini fiecareia , de a coordona si verifica executia sarcinilor primite . Un

calculator nu poate functiona fara procesor . Deloc . Procesoarele au avut

evolutie rapida de la 8088,8086…80486 , productia fiind asigrata în

principal de firma Intel , printre primii producatori de procesoare destinate

utilizatorilor privati . Alte firme producatoare sunt AMD , Cyrix , ITD .

Procesoarele produse de AMD si Cyrix sunt mai ieftine decât cele produse

de Intel si au o arhitectura compatibila cu cele produse de Intel , însa se

dezvolta separat .

Procesorul i386 a fost primul processor care a inclus 6 faze de

executie paralela , la procesorul 80486 s-a dezvoltat mai mult paralelismul

executiei prin expandarea unitatilor de decodificare a instructiunii si de

executie într-o banda de asmblare (pieline) cu cinci nivele , astfel

ajungându-se la 11 faze paralele . În plus , procesorul 486 are un cache

intern de date si instructiuni de nivel L1 de 8Ko pentru a mari procentul

instructiunilor ce pot fi executate la viteza de o instructiune pe impuls de

tact . La acest processor a fost pentru prima data integrata unitatea de

calcul în virgula flotanta (coprocesorul) în acelasi cip cu CPU-ul .

Amd a lansat în aceeasi perioada procesorul 486 DX5 cu frecvente

pîna la 133 , fara prea mult success. Surprinzator , dupa 486 nu a urmat

586 , decât pentru Cyrix si AMD . Intel a decis sa schimbe formatul numelui

trecând la Pentium .

Procesorul Pentium a adaugat o a doua banda de asamblare pentru

a obtine performante superioare (cele doua benzi de asmblare (U,V) pot

executa doua instructiuni pe un impuls de tact); memoria cache s-a dublat ,

existând un cache de 8 Ko pentru cod si unul similar pentru date . Pentru

segment folosit in mod implicit (CS – cod, DS - date, SS- stiva), sau specificat in mod explicit. In regimul de lucru “real” adresa fizica se calculeaza in felul urmator: adresa de segment (continuta intr-un registru segment) se

îmbunatatirea executiei ramificatiilor din programe s-a implementat

conceptul de predictie a salturilor, introducându-se un tabel pentru

memorarea adreselor cele mai probabile la care se fac salturile . Registrele

principale au ramas pe 32 de biti , caile interne fiind pe 128 sau 256 de

biti , magistrala de date externa – 64 biti . Procesorul Pentium are integrat

un controller de întreruperi avansat (APIC) folosit în sistemele

multiprocessor .

Amd a lansat într-o perioada intermediara procesorul 586 , apoi K5 .

dupa 586 pentru Cyrix urmând 6x86 .

Amd si Cyrix au ramas multa vreme într-un con de umbra al lui Intel ,

mai ales ca procesoarele intel Pentium (lansate la frecvente de 75Mhz) s-

au dezvoltat rapid , de la frecventa de 166 Mhz fiind adaugate instructiunile

MMX (-un set de 57 noi instructiuni , patru tipuri noi de date si un nou dst

de registrii pentru a accelera performantele aplicatiilor multimedia si de

comunicatii ; MMX se bazeaza pe o arhitectura SIMD (Single

Instruction,Multiple Data) , permitând imbunatatirea performantelor

aplicatiilor ce folosesc algoritmi de calcul intensivi asupra unor mari siruri

de date simple (procesoare de imagini 2D/3D) . Dupa Pentium urmeaza

Pentium Pro care are o arhitectura superscalara pe trei cai- poate executa

trei instructiuni într-un impuls de tact având un cache L2 de 256 Kb strâns

legat de CPU printr-o magistrala dedicata pe 64 de biti. Procesoarele

Pentium si Pentium Pro au fost dezvoltate pâna la frecvente de 233 Mhz ,

urmatorul pas fiind Pentium II (este un PentiumPro cu MMX) si Pentium III.

Revenind la AMD , a lansat procesorul Amd K6 ce avea în plus 32kb

cache level 1 fata de K5 . Urmatorul pas a fost AMD K6-2 , care a dat o

replica MMX-ului de la Intel cu un set de instructiuni numite !3D NOW ;

trebuie amintit ca si procesoarele K6 au înglobat instructiuni MMX

frecventa maxima atinsa fiind de 500Mhz . AMD K6-3 înglobeaza 256kb

level 1 cache ceea cea aduce un spor de viteza substantial

Pentium la 150Mhz , pe când la AMD seria K6 –K62 a fost extrem de

reusita , depasind pe alocuri procesoarele Intel la frecvente echivalente .

Fiecare processor din seria x86 este compatibil fizic cu placa de baza

, astfel procesoarele se introduc într-un soclu de pe placa de baza , ce are

un numar standard de pini (321) . Pentru a descuraja concurenta , Intel a

schimbat modul de conectare a procesoarelor Pentium II-III , conectarea la

mainboard facându

Cyrix a ramas în urma , unui 6x86 la 200Mhz corespunzându-i un -se printr-un nou tip de soclu – Sec – Slot 1 ; Intel nu a dat drept de

productie (licenta) a acestui soclu firmelor AMD si Cyrix. Ca replica , AMD

a conceput procesorul AMD K7 , ce concureaza direct Pentium II prin

frecvente de pana la 900Mhz si cache level 2 –512Ko,pentru un nou tip de

soclu – Slot A .

Succesul pe piata al procesoarelor Intel a fost datorat faptului ca

fiecare nou procesor îngloba functiile precedentului (astfel un Pentium II

este capabil de executa cod scris pentr 386) , caracteristicî intalnitî rar la

început (1980) . Procesoarele Sparc , Alpha , Dec , Risc sunt extrem de

scumpe , incompatile cu codul x86 , ele fiind în proiectate pentru aplicatii

paralele , volum mare de calcul, sisteme multiprocessor . Firma SPARC a

lansat de curînd procesorul pe 64 biti UltraSparc la 1,5 Ghz . Trebuie amintit ca un calculator poate avea unul sau mai multe

procesoare . Placile de baza ‘normale’ permit prezenta unui singur

procesor , însa sunt producatori ce ofera optiunea de ‘dual processor’ .

Astfel în sistemele produse de Digital , HP se pot întâlni între 2-8

procesoare . Problema este ca numai anumite sisteme de operare stiu sa

foloseasca multiprocesarea (Linux , SunOs , Unix , WindowsNT) . Astfel în

Windows 9x prezenta unui processor suplimentar nu va influenta cu nimic

performanta sistemului . Sistemele multiprocessor sunt folosite în servere

sau în statii de lucru cu flux mare de date (CAD , GIS , etc) . Un alt motiv

de a folosi un sistem multiprocessor este securitatea oferita . Astfel în cazul

unei defectiuni produse la unul din procesoare conducerea va fi luata de

celalalt .

FAMILII DE PROCESOAREIV. 1. Familia de procesoare Intel

Familia Intel x86 cuprinde mai multe tipuri de procesoare lansate de

firma Intel incepind din 1978 si pina in prezent (1999). In tabelul de mai jos

sunt prezentate procesoarele familiei impreuna cu principalele caracteristici

de performanta.

Tip Anul lansar

ii

Latime

registre

(biti)

Latime mag. de date/adr

ese

Spatiu de

adresare

fizic/virt.

Alte caracteristici

8086 1978 16 16/20 1Mo primul procesor pe 16 biti

8088 1980 16 8/20 1Mo procesorul folosit pentru primul IBM –PC

80186 1982 16 16/20 1Mo 8086 cu suport I/O pe cip80286 1982 16 16/24 16Mo procesor pentru IBM-

PC,varianta AT80386 1985 32 32/32 4Go/

64Toprimul procesor pe 32 de biti

80486 1989 32 32/32 4Go/64To

incorporeaza coprocesorul matematic si unitatea de management a memoriei

Pentium 1992 32 64/32 4Go/64T

arhitectura pipeline superscalara

Pentium Pro

1995 32 64/32 4Go/64T

primul reprezentant al familiei P6 – realizeaza executia dinamica a instructiunilor

Pentium II, si III

1997,1999

32 64/32 4Go/64T

facilitati suplimentare de control al consumului

Ceea ce face din aceste procesoare o familie este compatibilitatea

arhitecturala de jos in sus, adica un program scris pentru o versiune mai

veche de procesor se poate executa pe orice versiune ulterioara fara

modificari. Aceasta compatibilitate este necesara din mai multe

considerente:

- programele scrise pentru o anumita versiune de procesor pot fi

reutilizate pentru versiunile mai noi; firmele de software pot sa investeasca

mai mult pentru dezvoltarea unui program, bazindu-se pe pastrarea

compatibilitatii

- programatorii sunt familiarizati cu o structura hardware relativ

stabila; modificarile hardware se mentin pe cit posibil transparente pentru

programatori si vizeaza mai ales aspecte de performanta (ex: executia mai

rapida a instructiunilor)

Mentinerea compatibilitatii, insa, impune anumite restrictii care uneori

pot sa limiteze performantele noilor versiuni (ex: numarul de registre

interne, spatiul de adresare maxim, dimensiunea registrelor, etc.). In

aceasta lucrare se prezinta cu precadere acele aspecte arhitecturale care

s-au pastrat in decursul timpului la versiunile familiei Intel x86.

Componentele de bazaProcesorul I8086 (primul lansat din familie) contine doua unitati

functionale autonome: unitatea de executie (EU – Execution Unit) si

unitatea de interfatare a magistralei (BIU – Bus Interface Unit); ulterior

functionalitatea acestor unitati a fost divizata pe mai multe unitati si s-au

adaugat altele ca de exemplu: unitatea de decodificare a instructiunilor,

unitatea de segmentare si de paginare, unitatea de management a

memoriei cache si procesorul de virgula flotanta. In figura urmatoare s-au

reprezentat aceste componente in structura procesorului I8086.