Introducere în microprocesoare

Ce este un Microprocesor?

Un Microprocesor este un dispozitiv programabil care primește date de intrare, efectuează anumite operații aritmetice și logice asupra acestora și produce rezultatul dorit. Mai simplu spus, un Microprocesor este un dispozitiv digital pe un cip care poate prelua instrucțiuni din memorie, le poate decoda și executa și poate furniza rezultate. Este o parte importantă a arhitecturii unui computer fără de care nu ați putea efectua nicio operație pe computer.

Diagrama Bloc a unui Microprocesor

Un Microprocesor preia un set de instrucțiuni în limbaj mașină și le execută, spunându-i procesorului ce trebuie să facă. Microprocesorul efectuează trei lucruri de bază în timpul executării instrucțiunii:

• Efectuează anumite operații de bază precum adunarea, scăderea, înmulțirea, împărțirea și unele operații logice folosind Unitatea sa Aritmetică și Logică (ALU). Microprocesoarele noi efectuează, de asemenea, operații asupra numerelor în virgulă mobilă.
• Datele din microprocesoare se pot deplasa dintr-o locație în alta.
• Are un registru Contor de Program (PC) care stochează adresa următoarei instrucțiuni; pe baza valorii PC-ului, Microprocesorul sare dintr-o locație în alta și ia decizii.

O structură tipică a unui Microprocesor arată astfel.

Viteza de Ceas a diferitelor Microprocesoare:

• Microprocesor pe 16 biți

8086: 4.7MHz, 8MHz, 10MHz

8088: mai mult de 5MHz

80186/80188: 6MHz

80286: 8MHz

• Microprocesor pe 32 de biți

INTEL 80386: 16MHz până la 33MHz

INTEL 80486: 16MHz până la 100MHz

PENTIUM: 66MHz

• Microprocesor pe 64 de biți

INTEL CORE-2: 1.2GHz până la 3GHz

INTEL i7: 2.66GHz până la 3.33GHz

INTEL i5: 2.4GHz până la 3.6GHz

INTEL i3: 2.93GHz până la 3.33GHz

În prezent nu avem în funcțiune niciun Microprocesor pe 128 de biți; unul dintre motive este că suntem departe de a epuiza spațiul de adrese pe 64 de biți în sine, îl folosim la o rată constantă de aproximativ 2 biți la fiecare 3 ani. În prezent am folosit doar 48 de biți din cei 64 de biți, deci de ce am avea nevoie de un spațiu de adrese pe 128 de biți. De asemenea, un Microprocesor pe 128 de biți ar fi mult mai lent decât cel pe 64 de biți.

Tipuri de Procesoare

Complex Instruction Set Computer (CISC)

CISC sau Complex Instruction Set Computer este o arhitectură de calculator în care instrucțiunile sunt astfel încât o singură instrucțiune poate executa mai multe operații de nivel scăzut, cum ar fi încărcarea din memorie, stocarea în memorie sau o operație aritmetică, etc. Are mai multe noduri de adresare într-o singură instrucțiune. CISC utilizează foarte puține registre.

Exemple de CISC sunt

• Intel 386
• Intel 486
• Pentium
• Pentium Pro
• Pentium II
• Pentium III
• Motorola 68000
• Motorola 68020
• Motorola 68040 etc.

Reduced Instruction Set Computer (RISC)

RISC sau Reduced Instruction Set Computer este o arhitectură de calculator în care instrucțiunile sunt simple și concepute pentru a fi executate rapid. Instrucțiunile se finalizează într-un singur ciclu de ceas datorită optimizării instrucțiunilor și tehnicii de pipelining (o tehnică ce permite executarea simultană a părților sau etapelor instrucțiunilor pentru o procesare mai eficientă). RISC utilizează mai multe registre pentru a evita interacțiunile mari cu memoria. Are puține noduri de adresare.

Exemple de RISC sunt

• IBM RS6000
• MC88100
• DEC Alpha 21064
• DEC Alpha 21164
• DEC Alpha 21264

Explicitly Parallel Instruction Computing (EPIC)

EPIC sau Explicitly Parallel Instruction Computing permite calculatoarelor să execute instrucțiuni în paralel folosind compilatoare. Permite executarea instrucțiunilor complexe fără a utiliza frecvențe de ceas mai mari. EPIC își codifică instrucțiunile în pachete de 128 de biți. Fiecare pachet conține trei instrucțiuni, codificate fiecare în 41 de biți, și un câmp șablon de 5 biți (conține informații despre tipurile de instrucțiuni dintr-un pachet și care instrucțiuni pot fi executate în paralel).

Exemplu de EPIC este

• IA-64 (Intel Architecture-64)

Evoluția Microprocesoarelor

Evoluția Microprocesoarelor este clasificată astfel:

• Prima Generație (Microprocesoare pe 4 biți): Corporația Intel a introdus pentru prima dată microprocesorul în 1971-1972, denumindu-l Intel 4004. Acest microprocesor inițial putea efectua funcții aritmetice și logice de bază. De asemenea, conținea o unitate de control capabilă să preia, să decodeze și să execute instrucțiuni.
• A Doua Generație (Microprocesor pe 8 biți): Corporația Intel a introdus pentru prima dată microprocesorul pe 8 biți în 1973 cu Intel 8008. Acesta a fost urmat de un model îmbunătățit, Intel 8088.
• A Treia Generație (Microprocesoare pe 16 biți): A Treia Generație a introdus microprocesoare capabile să efectueze operații pe 16 biți. Introdusă în 1978, această generație a fost reprezentată de procesoare precum Intel 8086, Zilog Z800 și 80286.

• A Patra Generație (Microprocesoare pe 32 de biți):Cel mai utilizat și faimos microprocesor pe 32 de biți a fost Intel 80386.
• A Cincea Generație (Microprocesoare pe 64 de biți):Din 1995, microprocesoarele cu procesoare pe 64 de biți, cum ar fi Pentium Pro de la Intel, care permite mai multe CPU-uri într-unul singur.

Termeni de Bază Utilizați în Microprocesor

Mai jos sunt prezentați câțiva termeni de bază utilizați în microprocesoare:

• Set de Instrucțiuni: Setul de instrucțiuni este un grup de instrucțiuni din microprocesor care pot fi executate. Este interfața dintre hardware și software.

• magistrală (Bus): Magistralele sunt utilizate pentru a transporta date, adrese și informații de control în cadrul unui microprocesor. Există trei tipuri de magistrale: magistrale de date, magistrale de adrese și magistrale de control.

• IPC (Instrucțiuni pe Ciclu): Se măsoară ca numărul de instrucțiuni pe care un CPU le poate executa într-un singur ciclu de ceas.

• Viteza de Ceas: Se referă la numărul de operații pe care un procesor le poate efectua pe secundă. Se măsoară în megahertzi (MHz) sau gigahertzi (GHz).

• Lățime de Bandă (Bandwidth): Se măsoară ca numărul de biți procesați în timpul unei singure instrucțiuni.

• Lungimea Cuvântului (Word Length): Indică numărul de biți pe care un procesor îi poate gestiona simultan.

• Tipuri de Date: Suportă diverse formate, cum ar fi binar, ASCII, biți cu semn și fără semn.

Aplicații ale Microprocesorului

Mai jos sunt prezentate aplicațiile Microprocesoarelor:

• Computer: Microprocesoarele sunt CPU-urile din computere.
• Sisteme Integrate (Embedded Systems): Este utilizat ca bloc principal de procesare în sistemele integrate, cum ar fi mașinile de spălat, cuptoarele cu microunde și alte echipamente.
• Automatizări Industriale: Poate fi utilizat pentru a controla mașinile și echipamentele industriale.
• Automotive: Vehiculele moderne utilizează Microprocesoare în ECU-urile (Unitățile de Control Electronic) lor.
• Telecomunicații: Microprocesoarele sunt utilizate în sistemele de telecomunicații, cum ar fi routerele, modemurile și switch-urile.

Concluzie

În articolul următor am analizat Microprocesorul, am văzut definiția sa împreună cu diagrama bloc și diferitele tipuri, am parcurs și Evoluția Microprocesoarelor cu Aplicațiile sale.