Cum funcționează microprocesoarele

Microprocesoarele sunt în centrul tuturor calculatoarelor. Jorg Greuel / Getty Images

-Calculatorul pe care îl utilizați pentru a citi această pagină folosește un microprocesor să-și facă treaba. Microprocesorul este inima oricărui computer normal, fie că este vorba de o mașină desktop, un server sau un laptop. Microprocesorul pe care îl utilizați poate fi un Pentium, un K6, un PowerPC, un Sparc sau oricare dintre multe alte mărci și tipuri de microprocesoare, dar toate fac aproximativ același lucru în aproximativ același mod..

Un microprocesor - cunoscut și sub numele de Procesor sau unitate de procesare centrală - este un motor complet de calcul care este fabricat pe un singur cip. Primul microprocesor a fost Intel 4004, introdus în 1971. 4004 nu a fost foarte puternic - tot ce a putut face era să adauge și să scadă și nu putea face decât 4 biți simultan. Dar a fost uimitor că totul a fost pe un cip. Înainte de 4004, inginerii construiau calculatoare fie din colecții de cipuri, fie din componente discrete (tranzistoarele cu fir câte unul la rând). 4004 alimentează unul dintre primele calculatoare electronice portabile.

- Dacă v-ați întrebat vreodată ce face microprocesorul din computer sau dacă v-ați întrebat vreodată despre diferențele dintre tipurile de microprocesoare, atunci citiți mai departe. În acest articol, veți afla cum tehnici de logică digitală destul de simple permit unui computer să își facă treaba, fie că joacă un joc sau verifică vraja un document.!

cuprins

1. Progresia microprocesorului: Intel
2. Logica microprocesorului
3. Memorie cu microprocesor
4. Instrucțiuni pentru microprocesor
5. Performanța și tendințele microprocesorului
6. Microprocesoare pe 64 de biți

Intel 8080 a fost primul microprocesor dintr-un computer de acasă.

Primul microprocesor care l-a făcut într-un computer de acasă a fost Intel 8080, un computer complet pe 8 biți pe un cip, introdus în 1974. Primul microprocesor care a făcut o adevărată splash pe piață a fost Intel 8088, introdus în 1979 și încorporat în computerul IBM (care a apărut pentru prima dată în jurul anului 1982). Dacă cunoașteți piața de calculatoare și istoricul acesteia, știți că piața de calculatoare s-a mutat de la 8088 la 80286 la 80386 la 80486 la Pentium la Pentium II la Pentium III la Pentium 4. Toate acestea microprocesoarele sunt realizate de Intel și toate sunt îmbunătățiri la designul de bază al 8088. Pentium 4 poate executa orice bucată de cod care a rulat pe 8088 original, dar o face de aproximativ 5.000 de ori mai rapid!

Din 2004, Intel a introdus microprocesoare cu mai multe nuclee și cu milioane de tranzistoare mai multe. Dar chiar și aceste microprocesoare respectă aceleași reguli generale ca jetoanele anterioare.

Iată diferențele dintre diferitele procesoare pe care le-a introdus Intel de-a lungul anilor. Compilat din Ghidul de referință rapidă al microprocesorului Intel și scorurile de referință TSCP

Informații suplimentare despre tabelul din această pagină:

• Data este anul în care procesorul a fost introdus pentru prima dată. Multe procesoare sunt reintroduse la viteze mai mari de ceas timp de mai mulți ani după data de lansare inițială.
• tranzistori este numărul tranzistorilor de pe cip. Puteți vedea că numărul tranzistoarelor pe un singur cip a crescut constant de-a lungul anilor.
• Microns este lățimea, în microni, a celui mai mic fir de pe cip. Pentru comparație, un păr uman este gros de 100 de microni. Pe măsură ce dimensiunea caracteristicii pe cip scade, numărul tranzistoarelor crește.
• Viteza ceasului este rata maximă la care cipul poate fi controlat. Viteza ceasului va avea mai mult sens în secțiunea următoare.
• Lățimea datelor este lățimea ALU. Un ALU pe 8 biți poate adăuga / scădea / multiplica / etc. două numere de 8 biți, în timp ce un ALU pe 32 de biți poate manipula numere pe 32 de biți. Un ALU pe 8 biți ar trebui să execute patru instrucțiuni pentru a adăuga două numere de 32 de biți, în timp ce un ALU pe 32 de biți îl poate face într-o singură instrucțiune. În multe cazuri, magistrala de date exterioară are aceeași lățime ca ALU, dar nu întotdeauna. 8088 avea un ALU pe 16 biți și un autobuz pe 8 biți, în timp ce modernul Pentiums preia date pe 64 de biți simultan pentru ALU-urile lor pe 32 de biți.
• MIPS reprezintă „milioane de instrucțiuni pe secundă” și reprezintă o măsură bruscă a performanței unui procesor. CPU moderne pot face atât de multe lucruri diferite, încât evaluările MIPS își pierd mult din semnificație, dar puteți obține un sentiment general al puterii relative a procesoarelor din această coloană.

Din acest tabel puteți vedea că, în general, există o relație între viteza ceasului și MIPS. Viteza maximă a ceasului este o funcție a procesului de fabricație și întârzieri în cip. Există, de asemenea, o relație între numărul tranzistorilor și MIPS. De exemplu, 8088 cronometrat la 5 MHz, dar executat doar la 0,33 MIPS (aproximativ o instrucțiune la 15 cicluri de ceas). Procesoarele moderne pot adesea să execute la un ritm de două instrucțiuni pe ciclu de ceas. Această îmbunătățire este direct legată de numărul tranzistoarelor de pe cip și va avea mai mult sens în secțiunea următoare.

Ce este un cip?

A cip se mai numește și an circuit integrat. În general este o mică bucată subțire de siliciu pe care au fost gravate tranzistoarele care alcătuiesc microprocesorul. Un cip poate fi la fel de mare ca un inch pe o parte și poate conține zeci de milioane de tranzistoare. Procesoarele mai simple ar putea consta din câteva mii de tranzistoare gravate pe un cip doar câțiva milimetri pătrați.

Procesor Intel Pentium 4 Foto cu amabilitate Intel Corporation

Pentru a înțelege cum funcționează un microprocesor, este util să priviți în interior și să aflați despre logica folosită pentru a crea unul. În proces puteți afla și despre limbaj de asamblare -- limba maternă a unui microprocesor - și multe dintre lucrurile pe care inginerii le pot face pentru a crește viteza unui procesor.

Un microprocesor execută o colecție de instrucțiuni ale mașinii care spun procesorului ce trebuie să facă. Pe baza instrucțiunilor, un microprocesor face trei lucruri de bază:

• Folosind ALU (unitatea aritmetică / logică), un microprocesor poate efectua operațiuni matematice precum adunarea, scăderea, înmulțirea și divizarea. Microprocesoarele moderne conțin procesoare complete cu punct flotant, care pot efectua operațiuni extrem de sofisticate pe un număr mare de virgule plutitoare.
• Un microprocesor poate muta datele de la o locație de memorie la alta.
• Un microprocesor poate lua decizii și poate sări la un nou set de instrucțiuni bazate pe acele decizii.

Pot fi lucruri foarte sofisticate pe care le face un microprocesor, dar acestea sunt cele trei activități de bază ale acestuia. Următoarea diagramă arată un microprocesor extrem de simplu, capabil să facă acele trei lucruri:

Aceasta este la fel de simplă ca un microprocesor. Acest microprocesor are:

• Un autobuz de adrese (care poate avea o lățime de 8, 16 sau 32 de biți) care trimite o adresă către memorie
• A autobuz de date (care pot avea o lățime de 8, 16 sau 32 de biți) care pot trimite date în memorie sau primi date din memorie
• Un RD (Citeste si WR (scrie) linie pentru a spune memoriei dacă dorește să stabilească sau să obțină locația adresată
• A linia de ceas care permite o secvență de puls de ceas procesorului
• A resetează linia care resetează contorul programului la zero (sau orice altceva) și repornește execuția

Să presupunem că atât autobuzul de adresă, cât și de date au o latime de 8 biți în acest exemplu.

Iată componentele acestui simplu microprocesor:

• Registrele A, B și C sunt pur și simplu zăvoare din flip-flops. (Consultați secțiunea „Lățări declanșate de margine” din Modul Boolean Logic pentru detalii.)
• Zăvorul de adresă este la fel ca registrele A, B și C.
• Contorul de programe este un zăvor cu capacitatea suplimentară de a crește cu 1 atunci când i se spune să facă acest lucru și, de asemenea, să se reseteze la zero atunci când i se spune să facă acest lucru.
• ALU ar putea fi la fel de simplu ca un adaos de 8 biți (consultați secțiunea privind adaosurile din Cum funcționează logica booleană pentru detalii) sau ar putea fi în măsură să adauge, să scadă, să multiplice și să împartă valori pe 8 biți. Să presupunem că aceasta din urmă este aici.
• Registrul de testare este un zăvor special care poate reține valori din comparațiile efectuate în ALU. În mod normal, un ALU poate compara două numere și poate determina dacă acestea sunt egale, dacă unul este mai mare decât celălalt, etc. Registrul de testare poate, de asemenea, să țină un bit de transport din ultima etapă a adaosului. Stochează aceste valori în flip-flops și apoi decodorul de instrucțiuni poate utiliza valorile pentru a lua decizii.
• Există șase căsuțe marcate „3-State” în diagrama. Acestea sunt buffere tri-statale. Un tampon tri-static poate trece un 1, un 0 sau în mod esențial își poate deconecta ieșirea (imaginați-vă un comutator care deconectează total linia de ieșire de la firul către care se îndreaptă ieșirea). Un buffer tri-state permite ieșirilor multiple să se conecteze la un fir, dar numai una dintre ele pentru a conduce efectiv un 1 sau 0 pe linie.
• Registrul de instrucțiuni și decodificatorul de instrucțiuni sunt responsabili de controlul tuturor celorlalte componente.

Deși nu sunt prezentate în această diagramă, ar exista linii de control de la decodificatorul de instrucțiuni care ar:

• Spuneți registrului A să blocheze valoarea în prezent în magistrala de date
• Spuneți registrului B să blocheze valoarea în prezent în magistrala de date
• Spuneți registrului C să blocheze valoarea ieșită în prezent de ALU
• Spuneți registrului contorului de programe să blocheze valoarea în prezent în magistrala de date
• Spuneți registrului de adrese pentru a bloca valoarea actuală în magistrala de date
• Spuneți registrului de instrucțiuni să blocheze valoarea în prezent în magistrala de date
• Spuneți contorului programului să crească
• Spuneți contorului programului să reseteze la zero
• Activați oricare dintre cele șase buffere tri-state (șase linii separate)
• Spuneți ALU ce operație trebuie efectuată
• Spuneți registrului de test să blocheze biții de test ALU
• Activați linia RD
• Activați linia WR

Intră în decodorul de instrucțiuni sunt biții din registrul de testare și linia de ceas, precum și biții din registrul de instrucțiuni.

Cip ROM

Secțiunea anterioară a vorbit despre autobuzele de adresă și date, precum și liniile RD și WR. Aceste autobuze și linii se conectează fie la RAM, fie la ROM - în general ambele. În microprocesorul nostru de probă, avem o magistrală de adrese cu 8 biți lățime și o busă de date cu 8 biți lățime. Aceasta înseamnă că microprocesorul se poate adresa (2⁸) 256 octeți de memorie și poate citi sau scrie 8 biți din memorie simultan. Să presupunem că acest microprocesor simplu are 128 de octeți de ROM care pornesc de la adresa 0 și 128 de octeți de RAM începând de la adresa 128.

ROM-ul este o memorie de numai citire. Un cip ROM este programat cu o colecție permanentă de octeți prestabiliți. Autobuzul de adrese indică cipul ROM care este octetul pe care trebuie să îl obții și să îl plasezi pe magistrala de date. Când linia RD se schimbă de stare, cipul ROM prezintă octetul selectat în magistrala de date.

RAM înseamnă memorie cu acces aleatoriu. RAM conține octeți de informații, iar microprocesorul poate citi sau scrie pe acei octeți, în funcție de faptul că linia RD sau WR este semnalizată. O problemă cu cipurile de memorie RAM de astăzi este că ele uită totul odată ce puterea este oprită. Acesta este motivul pentru care computerul are nevoie de ROM.

Cip RAM

Apropo, aproape toate computerele conțin o anumită cantitate de ROM (este posibil să se creeze un computer simplu care nu conține memorie RAM - multe microcontrolere fac acest lucru plasând o mână de octeți RAM pe cipul procesorului în sine - dar în general imposibil de creat unul care nu conține ROM). Pe un computer, ROM-ul se numește BIOS (Sistem de bază de intrare / ieșire). Când microprocesorul pornește, începe executarea instrucțiunilor pe care le găsește în BIOS. Instrucțiunile BIOS fac lucruri precum testarea hardware-ului din mașină și apoi merge pe hard disk pentru a prelua sectorul cizmei (consultați modul în care funcționează discurile dure pentru detalii). Acest sector de boot este un alt program mic, iar BIOS-ul îl stochează în RAM după ce l-ați citit de pe disc. Microprocesorul începe apoi să execute instrucțiunile sectorului de pornire din RAM. Programul sectorului de încărcare va spune microprocesorului să aducă altceva din hard disk în RAM, pe care microprocesorul îl execută și așa mai departe. Așa se încarcă și execută întregul sistem de operare microprocesorul.

Chiar și microprocesorul incredibil de simplu prezentat în exemplul precedent va avea un set destul de mare de instrucțiuni pe care le poate efectua. Colecția de instrucțiuni este implementată ca modele de biți, fiecare având o semnificație diferită atunci când este încărcat în registrul de instrucțiuni. Oamenii nu sunt deosebit de buni la amintirea tiparelor de biți, astfel încât un set de cuvinte scurte sunt definite pentru a reprezenta diferitele tipare de biți. Această colecție de cuvinte se numește limbaj de asamblare a procesorului. Un montator poate traduce cuvintele în tiparele lor de biți foarte ușor, apoi ieșirea asamblatorului este plasată în memorie pentru executarea microprocesorului.

Iată setul de instrucțiuni de limbaj de asamblare pe care proiectantul l-ar putea crea pentru microprocesorul simplu din exemplul nostru:

• LOADA mem - Încărcați registrul A de la adresa de memorie
• LOADB mem - Încărcați registrul B de la adresa de memorie
• CONB CON - Încărcați o valoare constantă în registrul B
• SAVEB mem - Salvați registrul B pe adresa de memorie
• SAVEC mem - Salvați registrul C pe adresa de memorie
• ADĂUGA - Adăugați A și B și stocați rezultatul în C
• SUB - Se scad A și B și se păstrează rezultatul în C
• MUL - Înmulțiți A și B și stocați rezultatul în C
• DIV - Împărțiți A și B și stocați rezultatul în C
• COM - Comparați A și B și păstrați rezultatul la test
• JUMP addr - Salt la o adresă
• Adaos JEQ - Salt la, dacă este egal, la adresă
• JNEQ addr - Sari, dacă nu este egal, la adresă
• JG addr - Salt la, dacă este mai mare decât adresa,
• JGE addr - Salt la, dacă este mai mare sau egal, la adresă
• JL addr - Salt la adresa, dacă este mai puțin decât,
• JLE addr - Salt la, dacă este mai mică sau egală, la adresă
• STOP - Opriți execuția

Dacă ați citit Cum funcționează programarea C, atunci știți că această simplă bucată de cod C va calcula factorialul de 5 (unde factorialul de 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120):

a = 1; f = 1; în timp ce (a <= 5) f = f * a; a = a + 1;

La sfârșitul execuției programului, variabila f conține factorialul de 5.

Limbaj de asamblare

A C compilator traduce acest cod C în limbaj de asamblare. Presupunând că RAM începe de la adresa 128 din acest procesor, iar ROM-ul (care conține programul de limbaj de asamblare) începe de la adresa 0, atunci pentru microprocesorul nostru simplu limbajul de asamblare ar putea arăta astfel:

// Presupunem că a este la adresa 128 // Presupunem că F este la adresa 1290 CONB 1 // a = 1; 1 SAVEB 1282 CONB 1 // f = 1; 3 SAVEB 1294 LOADA 128 // dacă a> 5 saltul la 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f = f * a; 9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a = a + 1; 13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // bucla înapoi la if17 STOP

rom

Acum, întrebarea este: „Cum arată toate aceste instrucțiuni în ROM?” Fiecare din aceste instrucțiuni de limbaj de asamblare trebuie să fie reprezentate de un număr binar. Din simplitate, să presupunem că fiecărei instrucțiuni de limbaj de asamblare li se oferă un număr unic, astfel:

• LOADA - 1
• LOADB - 2
• CONB - 3
• SAVEB - 4
• SAVEC mem - 5
• ADAUGĂ - 6
• SUB - 7
• MUL - 8
• DIV - 9
• COM - 10
• Adaos JUMP - 11
• Adăugare JEQ - 12
• JNEQ addr - 13
• JG addr - 14
• JGE addr - 15
• JL addr - 16
• JLE addr - 17
• STOP - 18

Numerele sunt cunoscute ca Opcodes. În ROM, micul nostru program ar arăta astfel:

// Presupunem că a este la adresa 128 // Presupunem că F se află la adresa 129Addr opcode / valoare0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 12921 12922 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

Puteți vedea că șapte linii de cod C au devenit 18 linii de limbaj de asamblare și care au devenit 32 de octeți în ROM.

decodarea

Decodorul de instrucțiuni trebuie să transforme fiecare dintre opcode într-un set de semnale care conduc diferitele componente în interiorul microprocesorului. Să luăm ca exemplu instrucțiunea ADD și să analizăm ce trebuie să facă:

1. În timpul primului ciclu de ceas, trebuie să încărcăm cu adevărat instrucțiunea. Prin urmare, decodificatorul de instrucțiuni trebuie să: activeze bufferul tri-state pentru contorul de programe, activează linia RD activând zăvorul de tampon tri-stat de date în registrul de instrucțiuni
2. În timpul celui de-al doilea ciclu de ceas, instrucțiunea ADD este decodificată. Trebuie să faceți foarte puțin: setați funcționarea ALU pentru a adăuga la blocarea ieșirii ALU în registrul C
3. În timpul celui de-al treilea ciclu de ceas, contorul programului este incrementat (în teorie, acest lucru ar putea fi suprapus în cel de-al doilea ciclu de ceas).

Fiecare instrucțiune poate fi defalcată ca un set de operații secvențiate ca acestea care manipulează componentele microprocesorului în ordinea corespunzătoare. Unele instrucțiuni, cum ar fi această instrucțiune ADD, ar putea dura două sau trei cicluri de ceas. Alții ar putea dura cinci sau șase cicluri de ceas.

Numarul tranzistori disponibil are un efect uriaș asupra performanței unui procesor. După cum s-a văzut mai devreme, o instrucțiune tipică într-un procesor precum un 8088 a necesitat 15 cicluri de ceas pentru a executa. Din cauza designului multiplicatorului, a fost nevoie de aproximativ 80 de cicluri doar pentru a face o înmulțire de 16 biți pe 8088. Cu mai multe tranzistoare, multiplicatori mult mai puternici capabili de viteze cu un singur ciclu devin posibile.

Mai multe tranzistoare permit, de asemenea, o tehnologie numită pipelining. Într-o arhitectură pipelinată, execuția instrucțiunilor se suprapune. Deci, chiar dacă ar putea dura cinci cicluri de ceas pentru a executa fiecare instrucțiune, pot exista cinci instrucțiuni în diferite etape de execuție simultan. În acest fel, se pare că o instrucțiune completează fiecare ciclu de ceas.

Multe procesoare moderne au mai multe decodificatoare de instrucțiuni, fiecare cu o conductă proprie. Aceasta permite mai multe fluxuri de instrucțiuni, ceea ce înseamnă că mai multe instrucțiuni pot fi completate în timpul fiecărui ciclu de ceas. Această tehnică poate fi destul de complexă de implementat, astfel încât este nevoie de o mulțime de tranzistoare.

tendinţe

Tendința în proiectarea procesorului a fost în primul rând către ALU-uri complete pe 32 de biți cu procesoare cu virgule flotantă încorporate și execuții pipelinate cu mai multe fluxuri de instrucțiuni. Cel mai nou lucru în proiectarea procesorului este ALU pe 64 de biți, iar oamenii sunt așteptați să aibă aceste procesoare în calculatoarele lor de acasă în următorul deceniu. De asemenea, a existat o tendință către instrucțiuni speciale (cum ar fi instrucțiunile MMX) care fac anumite operații deosebit de eficiente, precum și adăugarea suportului de memorie virtuală hardware și a cache-ului L1 pe cipul procesorului. Toate aceste tendințe impulsionează numărul tranzistorului, ceea ce duce la puterile de tranzistori de mai multe milioane disponibile astăzi. Aceste procesoare pot executa aproximativ un miliard de instrucțiuni pe secundă!

Foto amabilitate AMD

Șaizeci și patru de procesoare biți sunt alături de noi din 1992, iar în secolul 21 au început să devină mainstream. Atât Intel cât și AMD au introdus cipuri pe 64 de biți, iar Mac G5 oferă un procesor pe 64 de biți. Șaizeci și patru de procesoare au ALU pe 64 de biți, registre pe 64 de biți, autobuze pe 64 de biți etc..

Unul dintre motivele pentru care lumea are nevoie de procesoare pe 64 de biți este din cauza lor spații de adrese extinse. Treizeci și doi biți de cip sunt deseori restrânși la maximum 2 GB sau 4 GB acces RAM. Asta sună foarte mult, având în vedere că în prezent majoritatea computerelor casnice folosesc doar 256 MB până la 512 MB RAM. Cu toate acestea, o limită de 4 GB poate fi o problemă severă pentru mașinile server și mașinile care rulează baze de date mari. Chiar și mașinile de acasă vor începe să se ridice cu limita de 2 GB sau 4 GB destul de curând dacă se continuă tendințele actuale. Un cip pe 64 de biți nu are niciuna dintre aceste constrângeri, deoarece un spațiu de adrese RAM pe 64 de biți este esențial infinit pentru viitorul prevăzut - 2 ^ 64 octeți de RAM este ceva de ordinul unui miliard de gigabyte de RAM..

Cu un bus de adrese pe 64 de biți și autobuze de date largi și de mare viteză de pe placa de bază, mașinile pe 64 de biți oferă și viteze I / O (de intrare / ieșire) mai rapide la lucruri precum unitățile de disc și plăcile video. Aceste caracteristici pot crește considerabil performanța sistemului.

Serverele pot beneficia cu siguranță de 64 biți, dar ce zici de utilizatorii normali? Dincolo de soluția RAM, nu este clar că un cip pe 64 de biți oferă „utilizatorilor normali” beneficii reale și tangibile în acest moment. Ele pot prelucra mai rapid datele (datele foarte complexe prezintă numeroase numere reale). Oamenii care fac editare video și persoanele care realizează editare fotografică pe imagini foarte mari beneficiază de acest tip de putere de calcul. De asemenea, jocurile de ultimă generație vor beneficia, odată ce vor fi codificate pentru a profita de funcțiile pe 64 de biți. Însă, utilizatorul obișnuit care citește e-mail, navigează pe Web și editează documente Word nu folosește cu adevărat procesorul în acest mod.

Pentru mai multe informații despre microprocesoare și subiecte conexe, consultați linkurile de pe pagina următoare.

Articole similare

• Testul CPU
• De ce există limite la viteza procesorului?
• Cum funcționează semiconductorii
• Cum funcționează calculatoarele
• Cum funcționează programarea C
• Cum funcționează Java
• Cum funcționează sistemele de operare
• Cum funcționează memoria computerului
• Cum funcționează calculatoarele cuantice
• Cum vor funcționa calculatoarele ADN

Mai multe legături grozave

• Webopedia: microprocesor
• Faceți clic pe CPU
• Actualizări procesor
• Comparații CPU de generația a 6-a
• Comparații de CPU de generația a 7-a
• Scoruri de referință TSCP