|
Microprocesorul este un circuit integrat- o componentă electronică complexă, realizată
pe o bucată mică de siliciu numită cip, care
arată cam aşa:
Procesorul a apărut ca urmare a necesităţii
efectuării în mod rapid de calcule complexe şi a
avut o ascensiune şi perfecţionare simultană cu
dezvoltarea industriei mondiale de informatică-telecomunicaţii.
Pentru început, ne vom referi la câteva detalii tehnice
pentru a putea înţelege mai bine tumultoasa istorie
şi progresul atât de rapid al microprocesorului.
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.
înapoi
sus
Cum se fabrică ?
 Dacă
tehnologiile necesare fabricării unui microprocesor sunt
deosebit de complexe, principiul fabricaţiei este asemănător
cu al unei fotografii (fotolitografie).
a) se decupează o foiţă fină de siliciu,
care se acoperă cu un strat fotosensibil;
b) se desenează circuitele electronice pe stratul
fotosensibil, prin expunerea la o sursă luminoasă
specială printr-o grilă (negativ);
c) ansamblul se spală într-o soluţie revelatoare
care îndepărtează materialul care nu a fost expus
luminii;
d) se aplică materialul (metale, semi-conductoare) şi
gravurile pentru a construi componentele electronice;
tranzistorii sunt conectaţi între ei prin legături
de aluminiu sau mai recent, de cupru;
e) se repetă operaţiunea în funcţie de numărul
de straturi necesare;
f) procesorul se acoperă cu un material protector din
ceramică sau plastic.
înapoi
sus
Generalităţi
Micoroprocesorul reprezintă „creierul” întregului
calculator, coordonatorul tutror operaţiilor ce sunt
efectuate de către acesta. Un procesor conţine în
interiorul său zone în care poate memora date de lungimi
foarte mici. Aceste zone de memorie poartă numele de registre,
iar fiecare registru are un nume specific(de
exemplu registrul AX, registrul BX etc.). Dintre
toţi registri există unul care are un nume special
numit registrul IP(registrul Instruction Pointer).
Microprocesorul este conectat la celelalte componente ale
calculatorului prin intermediul magistralei de date(BUS)
şi al magistralei de comenzi(nişte căi
electronice pe care circulă datele sa comenzile)
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 mai
nou 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; destinaţia lui poate fi schimbată prin
încărcarea unor seturi noi de instrucţiuni, aşa-numitele
programe.
înapoi
sus
Arhitectura
internă pe scurt
Arhitectura
internă se împarte schematic în trei mari blocuri de
tranzistori numite şi unităţi:
1) Unitatea de memorie cache, împărţită
în două subunităţi, una pentru comenzi,
cealaltă pentru date; memoria cache stochează
comenzile şi datele cele mai des utilizate;
2) Unităţile de control,
care se ocupă cu decodarea instrucţiunilor, cu
accesul la memoria RAM etc;
3) 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); a fost
integrată în procesorul principal în 1989, odată
cu apariţia lui 80486. Această unitate este capabilă
de operaţii matematice cu virgulă mobilă,
precum şi de altele mai avansate, cum ar fi radicalul sau
funcţiile trigonometrice.
- unitatea multimedia, nestandardizată;
prima astfel de unitate a fost MMX în 1997, au urmat apoi
3DNow!, SSE, 3DNow!+, SSE2; funcţia lor este aceea de a
optimiza programele multimedia (sunet, grafică 3D, efecte
audio-video).
înapoi
sus
Frecventa
Cea
mai comună proprietate a unui procesor este frecvenţa
sa, în relaţie direct proporţională 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. Un procesor
mai este caracterizat şi de dimensiunea magistralei de
date, care se măsoară în biţi. Cu cât aceasta
este mai mare, evident, fluxul informaţiilor tranzitate
şi prelucrate va fi mai mare, procesoarele actuale dispunând
de o magistrală pe 64 de biţi, inaugurată de
Pentium. Creşterea frecvenţei
microprocesorului este principalul mijloc de a creşte
performanţele. Astfel, dacă în 1981, primul PC avea
frecvenţa de 4,77 MHz, au urmat:
Datorită diferenţei
de arhitectură între 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
performanţa medie a lui Pentium 4 2000 MHz, care este
sensibil egală cu a unui AMD Athlon 1600 MHz.
înapoi
sus
Memoria cache
Memoria
cache este o memorie de mare viteză, inclusă în
totalitate în procesor (la procesoarele actuale) sau pe placa
de bază (la primele modele), 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, fără stadii de aşteptare,
deoarece lucrează la viteza procesorului. 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 deţinea o viteză mică;
apoi ea 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
CPU-ul. 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 usor,
dezactivând-o din BIOS. 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.
înapoi
sus
Arhitecturile RISC şi CISC
Aceste
arhitecturi definesc felul în care comenzile sunt executate
în microprocesor. Arhitectura CISC (Complex Instruction Set
Computer) a apărut în primele procesoare, fiind şi
singura existentă la acea vreme. Cu timpul, cercetătorii
au descoperit 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). În
practică, procesoarele RISC sunt aproximativ de două
ori mai rapide decât omoloagele lor CISC.
d) Execuţia
super-scalară
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, a fost
Pentium; acesta integra două ALU (Arithmetical Logic
Unit).
e) Unelte de dezvoltare
Puterea
unui procesor este inutilă dacă nu există un
program 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 cvasipermanent 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 Pentium II şi la şase ani după
apariţia Pentium.
Chiar
dacă puterea de calcul a procesoarelor a crescut de sute
de ori în 15 ani, nu înseamnă că un program de
editare de text este de sute 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.
înapoi
sus
|
