ostrycharczyk sylwia

x60
1. CO TO JEST MIKROPROCESOR?
Mikroprocesor (CPU - centralna jednostka wykonawcza) to układ scalony, którego działanie polega
na wykonywaniu instrukcji programów. Nadzoruje on i synchronizuje prace wszystkich urządzeń w
komputerze. Charakterystyczne cechy, które odróżniają mikroprocesory od siebie to:



architektura (CISC lub RISC)
liczba bitów przetwarzana w jednym takcie
częstotliwość taktowania podawana w MHz
Procesor - CPU (Central Procesing Unit), to najważniejsza część każdego komputera, będąca
najczęściej pojedynczym mikroprocesorem, połączonym z płytą główną za pomocą specjalnego gniazda.
To głównie od niego zależy szybkość pracy naszego komputera. Każdy procesor zawiera jednostkę
arytmetyczno-logiczną ALU, jednostkę sterującą i koprocesor numeryczny FPU. Zadaniem procesora jest
przetwarzanie i wykonywanie operacji logiczno-arytmetycznych, które dochodzą do niego poprzez
pamięć operacyjną. Podstawowe bloki funkcjonalne tworzące procesor to: rejestry, jednostka
arytmetyczno-logiczna, układ sterowania, dekoder rozkazów, jednostka zmiennoprzecinkowa oraz
pamięć podręczna (cache L1 i L2).
2. ZASADA DZIAŁANIA MIKROPROCESORA
1
Ze względu na przepływ danych i rozkazów w procesorze, można wyróżnić w nim kilka zasadniczych
modułów:
1. Blok wstępnego pobierania i dekodowania instrukcji. Odpowiada on za dostarczenie kolejnych
poleceń z pamięci operacyjnej i przekazanie ich do odpowiedniej jednostki wykonawczej.
2. Główny blok wykonawczy to jednostka arytmetyczno-logiczna ALU. Zapewnia ona prawidłowe
przetworzenie wszystkich danych stałoprzecinkowych. ALU wyposażony jest w niewielka
zintegrowana pamięć, nazywana zestawem rejestrów. Każdy rejestr to pojedyncza komórka
używana do chwilowego przechowywania danych i wyników.
3. FPU, czyli koprocesor wykonujący wszystkie obliczenia zmiennoprzecinkowe
4. Po zakończeniu "obliczeń" dane będące wynikiem przetwarzania trafiają do modułu wyjściowego
procesora. Jego zadaniem jest przekierowanie nadchodzących informacji np. do odpowiedniego
adresu w pamięci operacyjnej lub urządzenia wejścia/wyjścia.
3. ROZWÓJ MIKROPROCESORÓW
Początki rozwoju procesora sięgają roku 1971, wtedy to powstał pierwszy procesor 4004
wykorzystany do budowy kalkulatora. Ten, jak na tamtejsze czasy "cud techniki", pracował z
częstotliwością blisko 110 KHz. Następnym tworem inżynierów i projektantów firmy Intel był 8-bitowy
procesor 8080. Częstotliwość zegara wynosiła od 0,5 do 2 MHz
W 1978 powstał pierwszy procesor z rodziny x86 8086, jeszcze nie w pełni 16-bitowy. Pierwsze
wersje pracowały z częstotliwością 4,77 MHz, a po dołożeniu koprocesora osiągały 10 MHz
W sierpniu 1985 roku IBM tworzy nowy model swojego komputera osobistego - IBM AT.
Posiada on procesor 286 z zegarem 6 MHz i 16-bitową architekturę znacznie przyśpieszające pracę
komputera. Na komputerze pracował system operacyjny PC DOS 3.0. Komputer AT z 512 kB RAM i
dyskiem 20 MB kosztował około 5000 dolarów. Gdy Intel pracuje nad wersją 32-bitowego procesora,
wspomniana już firma Compaq wprowadza na rynek pierwszy komputer z procesorem 386. Nowa
konstrukcja nosiła nazwę Deskpro 386 i pojawiła się we wrześniu 1986. 386 to pierwszy w pełni 32bitowy procesor posiadający mnóstwo nowych instrukcji, dostęp do pamięci powyżej 1MB oraz
pracujący w trybie chronionym. Płyty główne pod niego wyposażone były po raz pierwszy w cache L2 najczęściej 128 kB. Procesor był produkowany przez firmy Intel, AMD, Compaq w wersjach 16, 20, 25,
33 i 40 MHz.
W roku 1987, Intel tworzy procesor 486. Nowy produkt pracuje z częstotliwościami 20, 25, 33,40
i 50 MHz, zwiera koprocesor i pamięć cache L2. Działają na nim pierwsze wersje systemu Windows i
aplikacje CAD. Kolejne prace producentów doprowadzają jedynie do przyśpieszenia procesora 486 do
wartości nawet 100MHz.
Rok 1993 przynosi nowy procesor o nazwie Pentium. Produkt Intela zasilany napięciem 5V
odznacza się wydajnością na poziomie najszybszych 486 i pracuje z częstotliwościami 60 i 66 MHz.
Dalsze prace doprowadzają do obniżenia napięcia do 3,3V, co pozwoliło zminimalizować układ,
zwiększyć upakowanie tranzystorów, a co za tym idzie zwiększyć taktowanie. Dużą zmianą w stosunku
do 486 była zastosowana 64-bitowa szyna danych, dwukrotnie szybsza wymiana danych z pamięci
oraz możliwość pracy w duecie. Kresem możliwości okazało się 200 MHz. Wersje procesora z
zegarem 60 i 66 przystosowane były do gniazda Socket 4. Dla następnych procesorów aż do
2
Pentium z zegarem 120 MHz przeznaczone było złącze Socket 5. Dopiero od Pentium 133 stosowano
gniazdo Socket 7. Procesor był produkowany w wersjach 60, 66, 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 180 i
200 MHz.
W tym samym czasie AMD wprowadza na rynek procesor o nazwie K5, jednakże ze względu na
słabą jednostkę zmiennoprzecinkową, produkt jest mniej popularny. Wersje procesora to 75, 90, 100, 120,
133, 150 i 166 MHz.
W roku 1995 Intel ulepsza swój dotychczasowy produkt, czego owocem jest Pentium MMX.
Nowy procesor od zwykłego Pentium, różni się przede wyspecjalizowaną jednostkę do współpracy z
aplikacjami multimedialnymi i komunikacyjnymi. Zastosowanie jednostki MMX przyspiesza o ok. 60
procent działanie gier, programów edukacyjnych, programów do współpracy z Internetem, do obróbki
audio i wideo. MMX był dostępny w wersjach dla komputerów stacjonarnych (166,180, 200 i 233 MHz) i
przenośnych (150 i 166 MHz).
Później na rynek trafia Pentium Pro, czyli P6. Pentium Pro pojawił się w następujących wersjach:
150, 166, 180, 200 MHz.
W 1997 AMD produkuje procesor K6 wyposażony w instrukcje MMX. Sporą przewagę nad
Pentium dała układowi AMD olbrzymia pamięć podręczna pierwszego poziomu o pojemności po 32 kB
dla danych i programu. Wprowadzone wersje to 166, 200, 233, 266 i 300 MHz.
Intel w końcu pokazuje nowy produkt o nazwie Pentium II. Architektura DIB, podstawka Slot 1,
512 kB cache L2 we wspólnej obudowie spowodowało, że konkurencja została w tyle. Pierwsze Pentium
II o nazwie kodowej Klamath, produkowany był w przestarzałej technologii 0,35 mikrometra. Następcą
Pentium II jest Pentium II Xeon. Procesory produkowano już w technologii 0,25 mikrona. Zastosowano
nowe złącze Slot 2. Xeony wyposażone były w 32 kB pamięci L1 oraz od 512 do 2 MB cache L2. Wersje
Pentium II 233, 266, 300, 333, 350, 400, 450 MHz, Xeon 400 i 450 MHz.
Drugim nowym produktem Intela jest Celeron. Celeron był oferowany zarówno w wersji Slot 1,
jak i w "oszczędnej" wersji Socket 370. Wyprodukowane wersje to 266, 300, 300A, 366A, 400A.
Rok 1998 przynosi wzrost szybkości i wydajności procesorów. Pojawiają się nowe produkty
AMD, o nazwie K6-2 i K6-III. K6-III posiada pamięć cache L2 o pojemności 256 kB wbudowaną w chip
oraz 3D Now! powodują, że procesory bardzo dobrze zachowują się w grach 3D.
Rok 1999 to znowu wzrost mocy i wydajności procesorów. Na rynku pojawiają się Pentium III i
AMD Athlon. Procesorowi Pentium III wbudowano rozszerzoną listę instrukcji. zorientowaną na
wspomaganie grafiki trójwymiarowej. Wyglądem zewnętrznym Pentium III nie odbiega od swojego
starszego brata. Zmiennoprzecinkowe instrukcje SIMD dały Pentium III dwukrotnie większa wydajność
w aplikacjach 3D, nad konkurencyjnymi dotychczas procesorami AMD K6-2 i K6-III. Pierwsze wersje
Pentium III o oznaczeniach E i EB pracują z zegarami od 500 do 800 MHz. Najwydajniejszym
procesorem z rodziny Pentium III jest - Pentium III Xeon. Na budowę układu wykonanego w technologii
0,25 wykorzystano 9,5 miliona tranzystorów. Częstotliwość pracy zegara wynosząca 100 MHz, pamięć
cache L2 o pojemności od 512 kB do 2 MB zapewniły moc, którą wykorzystano głównie w
konfiguracjach wieloprocesorowych. Intel wyprodukował jedynie dwa egzemplarze z zegarami 500 i 550
MHz.
Odpowiedzią AMD na nowe procesory Intela był Athlon. Pierwszy Athlon z 512 kB pamięci
cache L2, pracującej z 1/3 częstotliwości zegara jądra procesora, wykonany został w technologii 0,25
mikrona, w wersjach 500, 550, 600, 650 i 700 MHz.
Następcą Athlona zostaje procesor znany pod kryptonimem Thunderbird. Układ wykonany w
technologii 0,18 mikrona różni się od poprzednika, przede wszystkim zintegrowaną z jądrem pamięcią
3
podręczną drugiego poziomu oraz typem złącza. Pamięć cache L2 zredukowana została o połowę, czyli
do 256 kB. Nowe Atlony pracują z częstotliwością magistrali 200 MHz, a w przypadku Athlona 1200
MHz 266 MHz. W procesorze AMD zaimplementowano instrukcje SIMD, dzięki którym możliwe jest
znaczne przyśpieszenie obliczeń zmiennoprzecinkowych. Listę poleceń zwiększono z 21 do 45, z czego
nowością są nowe rozkazy wykorzystywane do kodowani i dekodowania MP3, dźwięku przestrzennego,
MPEG2.
Dla mniej wymagających użytkowników AMD wprowadziło tanią konstrukcję procesora o nazwie
Duron. Duron komunikuje się z pamięcią przez magistralę taktowaną zegarem 100 MHz, pracującą w
trybie DDR, co daje w efekcie częstotliwość FSB równą 200 MHz. Projektanci z AMD zastosowali
ciekawe rozwiązanie w przypadku pamięci, stosując tak zwany exclusive cache. Rozwiązanie to polega
na połączeniu cache L1 i L2, stanowiącą praktycznie wspólną pamięć podręczną o sumarycznej
pojemności. W układzie zaimplementowano zestaw rozkazów 3DNow!, poszerzając je o dodatkowe
rozkazy nazwane Enchanced 3DNow!. Dzięki tym instrukcjom Duron nie tylko sprawdza się w
zastosowaniach biurowych, ale także w bardzo obciążających procesor grach 3D. Główną zaletą
procesora jest jego cena.
W obliczu rosnącej konkurencji ze strony AMD, Intel wprowadził na początku 2000 roku na
rynek procesor Celeron II. Celeron II produkowany w technologii 0,18 mikrometra. Wyposażono go w
instrukcje SSE, co korzystnie wpłynęło na jego wydajność. Intel aż do modelu z zegarem 766 MHz nie
zmienił częstotliwości magistrali i w dalszym ciągu wynosi 66 MHz. Dopiero Celerony z zegarem od 800
MHz wzwyż wyposażono w 100-megaherową magistralę
Przeciwko Athlonowi Intel wystawił groźnego konkurenta Pentium IV. Ten najświeższy produkt
wyróżnia się głównie zastosowaną architekturą i częstotliwością pracy układu, wynoszącą od 1,3 do 2
GH przy konwencjonalnym chłodzeniu. Procesor wykonano w technologii 0,18 mikrona, a w przypadku
układu z zegarem 2 GHz w technologii 0,13 mikrona. Procesor szczególnie sprawdza się w grach, przy
obróbce muzyki i obrazu, ze względu na zastosowanie w nim nowej jednostki arytmetryczno-logicznej,
która pracuje z dwukrotnie większą prędkością niż reszta układu. Wyróżniającym się elementem Pentium
IV jest 64-bitowa, 400 megahercowa magistrala systemowa o przepustowości 3,2 GB/s oraz 16 kB cache
L1. Cache L2 wynosi 256 kB. W Pentium IV usprawniono działanie mechanizmów SIMD, a zestaw
instrukcji SSE powiększono o kolejne 144 rozkazy SSE2, umożliwiające operacje na 128-bitowych
liczbach zmiennoprzecinkowych. Nowe procesory wymagają użycia podstawki Socket 432 lub Socket
478. Przy zakupie procesora dostajemy 128 MB pamięci RDRAM.
Pentium IV Xeon, to procesor o przeznaczeniu na rynek konfiguracji wieloprocesorowych.
Architekturą nie odbiega od swojego poprzednika. Wykonany w technologii 0,18 mikrona, ma 603 nóżki
i wymaga odpowiedniej podstawki. Pojawi się w wersjach 1400, 1500 i 1700 MHz.
Za mniejsze pieniądze można kupić ulepszonego Durona z jądrem Morgan. Począwszy od modelu
1,0 GHz. W nowych Duronach oprócz nowego modułu dekodowania rozkazów, zastosowano zestaw
instrukcji 3DNow! Professional odpowiednik Intelowskich SSE.
Niedawno (2001 r.) na rynku pojawił się nowy procesor Intela Prestonia. Jest to typowa
konstrukcja procesora przeznaczonego dla stacji roboczych i wydajnych serwerów. Procesor ma 602
wyprowadzenia, wielkość cache L2 zależy od modelu. Xeon z L2 o pojemności 256KB przeznaczony jest
do stacji roboczych, natomiast o 512KB do serwerów. Procesory pracują także z różnymi zegarami, ten z
256KB cache z zegarami 1,4, 1,5, 1,7 i 2,0GHz, natomiast jego brat bliźniak z zegarami 1,8, 2,0 i
2,2GHz.
W najbliższym czasie ma pojawić się Athlon Thoroughbred przeznaczony dla stacji roboczych
oraz AMD Hammer.
4
4. DODATKI MULTIMEDIALNE
Producenci nowoczesnych procesorów za podstawowy kierunek rozwoju technologicznego obrali
rozszerzenie multimedialnych możliwości układu. Poszerzone listy rozkazów operujące na stało- i
zmiennoprzecinkowych macierzach znacząco przyspieszają obróbkę grafiki, dźwięku czy generowanie
obrazów 3D.
MMX
Pierwszym wprowadzonym rozszerzeniem multimedialnym, wbudowanym we wszystkie obecnie
produkowane modele procesorów, jest zestaw 57 instrukcji arytmetyki stałoprzecinkowej typu SIMD,
znany pod nazwą MMX.
3DNow!
Firma AMD wprowadziła 21 nowych instrukcji zmiennoprzecinkowych typu SIMD-FP
zorientowanych na wspomaganie grafiki trójwymiarowej. Był to pierwszy przypadek wprowadzenia tak
istotnych zmian do architektury procesora przez firmę inną niż Intel. SIMD-FP procesorów AMD
wykorzystuje do działania połączone w pary 64-bitowe rejestry MMX - co niestety, utrudnia
automatyczną optymalizację kodu programu, gdyż wymagany jest podział danych na dwa segmenty.
SSE
Również Intel wprowadził w swoich procesorach Pentium III, instrukcje zmiennoprzecinkowe
SIMD-FP. Instrukcje te są wykonywane przez wyspecjalizowaną jednostkę operującą na ośmiu 128bitowych dedykowanych rejestrach - co sprzyja optymalizacji kodu programu.
5. GNIAZDA
Współczesne procesory montowane są na płycie głównej za pośrednictwem następujących gniazd:
1) SLOT 1 – Intel Pentium II/III, Celeron
2) SOCKET 7 – Intel Pentium, Intel Pentium MMX, AMD K-2,3, Winchip.
5
6