Logine%20kompiuterio%20architektura%20ir%20mikroprocesorius

1
Logine kompiuterio architektura
irmikroprocesorius
2
Logine kompiuterio architektura
3
  1946-52 m. Noimanas (John fon Neumann) kartu su
savo kolegomis Prinstono pažangiuju studiju
institute (Princeton Institute for Advanced
Studies) sukure nauja kompiuteri IAS. Jis tapo
visu velesniu bendrosios paskirties kompiuteriu
prototipu. Noimano pasiulyta struktura gali buti
apibudinta taip      Pirma Kadangi irenginys
(kompiuteris) visu pirma yra skaiciuotuvas, jis
turi gebeti atlikti dažniausiai pasitaikancias
elementarias aritmetines operacijas, t.y.
sudeties, atimties, daugybos ir dalybos , , ,
/. Todel jame butu specializuoti šias operacijas
atliekantys organai.    Specifinis budas, kuriuo
jis bus igyvendintas gali varijuoti, taciau bet
kuriuo atveju deklaruotina kompiuterio pirmoji
specifine dalis CA (centrine aritmetika -
Central Arithmetic) .      Antra Kkompiuterio
veikimo logika, t. y. tikslu jo operaciju
nuosekluma, efektyviausiai gali valdyti centrinis
valdymo organas. Jeigu irenginio (kompiuterio)
veikimas pasižymes lankstumu, t. y. kompiuteris
atitiks visas imanomas paskirtis, tuomet reikes
atskirti specifiškas instrukcijas, numatytas
specialioms užduotims spresti, nuo bendruju
valdymo organu, kurie šias instrukcijas gauna ir
vykdo nesigilindami, kas jos iš esmes yra.
Minetos instrukcijos turi buti tam tikru budu
isimenamos, o valdymo organai yra irenginio
(kompiuterio) tam tikros veikiancios dalys. Taigi
centriniu valdymu (Central Control CC)
vadinsime tik šias pastarasias funkcijas
atliekancius organus, jie sudaro antraja
specifine dali centrini valdyma  CV.     
Trecia Kiekvienas irenginys, atliekantis ilgas
ir sudetingas operaciju sekas (ypac
skaiciavimus), turi tureti pakankamai
atminties a)      Instrukcijoms, kurios valdo
uždavini, butina daug informacines medžiagos,
ypac tada, kai kodas yra labai išsamus (detalus,
o taip dažniausiai ir buna daugelyje uždaviniu).
b) duomenims. Ši medžiaga turi buti isimenama
atminties butinumas lemia treciaja  irenginio
specifine dali atmintine A (Memory M).     
Trys specifines dalys CA, CV ir A atitinka
asociatyvuji žmogaus nervu sistemos neurona. Dar
liko neaptarti sensoriniu arba jautriuju ir
motoriniu, arba varomuju neuronu ekvivalentai.
T. y. irenginio (kompiuterio) ivesties ir
išvesties organai      Turi buti užtikrinti
irenginio ivesties ir išvesties (sensoriniai ir
motoriniai) kontaktai su tam tikra specifine
išorine aplinka. Ši aplinka gali buti vadinama
irenginio išorine irašymo terpe R (Recording
medium R)      Ketvirta Irenginys turi tureti
organus, transformuojancius informacija iš R
terpes i jo specifines CA, CV ir A dalis. Šie
organai formuoja jo ivesti (input), ketvirtaja
specifine dali I (input I). Naturalu, kad
geriausia visas transformacijas daryti iš R
(taikant I) i A ir niekada tiesiogiai i CA ar CV
     Penkta. Irenginys turi tureti organus,
transformuojancius informacija iš jo specifiniu
CA, CV ir A daliu i R. Šie organai formuoja jo
išvesti. Tai penktoji specifine dalis I (Output
O). Ir vel naturalu, kad geriausia visas
transformacijas daryti iš A (taikant I) i R, ir
niekada tiesiogiai iš CA ar CV.  
4
  1946 m. Noimanas kartu su savo kolegomis
Prinstono pažangiuju studiju institute (Princeton
Institute for Advanced Studies) emesi kurti 
nauja kompiuteri IAS. Šis kompiuteris buvo 
baigtas tik 1952 m. ir yra visu velesniu
bendrosios paskirties kompiuteriu
prototipas. Pagrindiniai IAS apibendrintos
strukturos kompiuterio komponentai   
Aritmetinis ir loginis irenginys (ALI), galintis
operuoti dvejetainiais skaiciais.   Pagrindine
atmintis, sauganti ir duomenis, ir
instrukcijas     Valdymo irenginys,
interpretuojantis atmintyje esancias instrukcijas
ir kontroliuojantis ju vykdyma.    Ivesties ir
išvesties (I/I) irenginys, kurio veikima taip pat
kontroliuoja valdymo irenginys. Su labai reta
išimtimi visu šiuolaikišku kompiuteriu
apibendrinta struktura ir funkcionavimas yra
tokie patys (jie ir vadinami Noimano mašinomis),
tad labai naudinga išnagrineti IAS kompiuterio
veikima. Kad butu aiškiau nudienos vartotojams,
Noimano terminologija pakeista.                 
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
         
5
  1946 m. Noimanas kartu su savo kolegomis
Prinstono pažangiuju studiju institute (Princeton
Institute for Advanced Studies) emesi kurti 
nauja kompiuteri IAS pavadinimu. Šis kompiuteris
buvo  baigtas tik 1952 m. ir yra visu velesniu
bendrosios paskirties kompiuteriu prototipas. 1.7
pav. pateikta IAS kompiuterio apibendrinta
struktura. Pagrindines komponentes   
Pagrindine atmintis, sauganti ir duomenis, ir
instrukcijas    Aritmetinis ir loginis
irenginys (ALI), galintis operuoti dvejetainiais
skaiciais.    Valdymo irenginys,
interpretuojantis atmintyje esancias instrukcijas
ir kontroliuojantis ju vykdyma.    Ivesties ir
išvesties (I/I) irenginys, kurio veikima taip pat
kontroliuoja valdymo irenginys.      Ši struktura
Noimano pasiulyta anksciau ir jos apibudinima cia
verta pacituoti 1      Pirma Kadangi
irenginys (kompiuteris) visu pirma yra
skaiciuotuvas (computer), jis turi gebeti atlikti
dažniausiai pasitaikancias elementarias
aritmetines operacijas, t. y. sudeties, atimties,
daugybos ir dalybos , , , . Todel labai
naudinga, kad jame butu specializuoti šias
operacijas atliekantys organai.      Nepaisant
to, kad kol kas šis principas tera tik tušcias
garsas, specifiniam budui, kuriuo jis bus
igyvendintas, reikia skirti daugiau demesio Bet
kuriuo atveju centrine aritmetine (Central
Arithmetic CA) dalis irenginyje turetu buti.
Taigi deklaruotina jo (kompiuterio) pirmoji
specifine dalis CA.      Antra Irenginio
(kompiuterio) veikimo logika, t. y. tikslu jo
operaciju nuosekluma, efektyviausiai gali valdyti
centrinis valdymo organas. Jeigu irenginio
(kompiuterio) veikimas pasižymes lankstumu, t. y.
kompiuteris atitiks visas imanomas paskirtis,
tuomet reikes atskirti specifiškas instrukcijas,
numatytas specialioms užduotims spresti, nuo
bendruju valdymo organu, kurie šias instrukcijas
gauna ir vykdo nesigilindami, kas jos iš esmes
yra. Minetos instrukcijos turi buti tam tikru
budu isimenamos, o valdymo organai yra irenginio
(kompiuterio) tam tikros veikiancios dalys. Taigi
centriniu valdymu (Central Control CC)
vadinsime tik šias pastarasias funkcijas
atliekancius organus, ir jie sudaro antraja
specifine dali centrini valdyma  CV.     
Trecia Kiekvienas irenginys, atliekantis ilgas
ir sudetingas operaciju sekas (ypac
skaiciavimus), turi tureti pakankamai
atminties a)      Instrukcijoms, kurios valdo
sudetinga uždavini, butina daug informacines
medžiagos, ypac tada, kai kodas yra labai išsamus
(detalus, o taip dažniausiai ir buna daugelyje
uždaviniu). Ši medžiaga turi buti isimenama Bet 
kuriuo atveju atminties butinumas lemia treciaja 
irenginio specifine dali atminti A (Memory
M).      Trys specifines dalys CA, CV ir A
atitinka asociatyvuji žmogaus nervusistemos
neurona. Dar liko neaptarti sensoriniu arba
jautriuju ir motoriniu, arba varomuju neuronu
ekvivalentai. T. y. irenginio (kompiuterio)
ivesties ir išvesties organai      Turi buti
užtikrinti irenginio ivesties ir išvesties
(sensoriniai ir motoriniai) kontaktai su tam
tikra specifine išorine aplinka. Ši aplinka gali
buti vadinama irenginio išorine irašymo terpe R
(Recording medium R)      Ketvirta Irenginys
turi tureti organus, transformuojancius
informacija iš R terpes i jo specifines CA, CV ir
A dalis. Šie organai formuoja jo ivesti (input),
ketvirtaja specifine dali I (input I). Atrodo
naturalu, kad geriausia visas transformacijas
daryti iš R (taikant I) i A ir niekada tiesiogiai
i CA ar CV      Penkta. Irenginys turi tureti
organus, transformuojancius informacija iš jo
specifiniu CA, CV ir A daliu i R. Šie organai
formuoja jo išvesti. Tai penktoji specifine dalis
I (Output O). Ir vel turetu buti naturalu,
kad geriausia visas transformacijas daryti iš A
(taikant I) i R, ir niekada tiesiogiai iš CA ar
CV.                                            
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                                                  
                 Su labai reta išimtimi visu
šiuolaikišku kompiuteriu apibendrinta struktura
ir funkcionavimas yra tokie patys (jie ir
vadinami Noimano mašinomis), tad labai naudinga
išnagrineti IAS kompiuterio veikima 2. Kad butu
aiškiau nudienos vartotojams, Noimano
terminologija pakeista.
6
(No Transcript)
7
(No Transcript)
8
(No Transcript)
9
(No Transcript)
10
(No Transcript)
11
(No Transcript)
12
(No Transcript)
13
Išrankos ir vykdymo ciklai
Bendruoju atveju šie veiksmai suskirstomi i
keturias kategorijas  CPI - Atmintis. Duomenys
gali buti siunciami iš CPI i atminti arba iš
atminties i CPI.  CPI - I/I. Duomenys gali buti
siunciami i išorine aplinka arba iš jos, juos
perduodant tarp CPI ir I/I modulio.  Duomenu
apdorojimas. CPI su duomenimis gali vykdyti tam
tikras aritmetines ir logines operacijas.  Valdym
as. Tam tikra instrukcija gali nurodyti, kad
vykdomoji seka pakeiciama (pvz., JUMP).
14
Išrankos ir vykdymo ciklai
Kiekvieno instrukcijos ciklo pradžioje CPI
išrenka instrukcija iš atminties. Nustatant,
kuri instrukcija bus išrenkama toliau,
tipiškajame CPI taikomas registras, vadinamas
programos skaitikliu (PS). Nekalbant apie
specialius atvejus, CPI po kiekvienos išrankos
padidina PS vienetu ir taip gali išrinkti kita
sekos instrukcija (t. y. instrukcija, kuria rodo
kitas, aukštesnis, atminties lasteles
adresas). Išrinktoji instrukcija siunciama i CPI
registra, vadinama instrukciju registru (IR).
Instrukcijos pateikiamos dvejetainiu kodu,
nurodanciu, koki veiksma turi daryti CPI. CPI
interpretuoja instrukcija ir vykdo butina veiksma
Bendruoju atveju šie veiksmai suskirstomi i
keturias kategorijas  CPI - Atmintis. Duomenys
gali buti siunciami iš CPI i atminti arba iš
atminties i CPI.  CPI - I/I. Duomenys gali buti
siunciami i išorine aplinka arba iš jos, juos
perduodant tarp CPI ir I/I modulio.  Duomenu
apdorojimas. CPI su duomenimis gali vykdyti tam
tikras aritmetines ir logines operacijas.  Valdym
as. Tam tikra instrukcija gali nurodyti, kad
vykdomoji seka pakeiciama (pvz., JUMP).
15
(No Transcript)
16
Architektura CISC RISC
17
(No Transcript)
18
1981 Pirmasis IBM PC (IBM 5150) (Intel
80884,77 MHz, 16-256 kB RAM, 360 kB, 5,25 FD)
Zilog Z 80
19
Pagrindiniai mikroprocesoriu parametrai
Mikroprocesoriu savybes gali buti nusakomos daugeliu parametru. Pagrindiniai ju yra šie Mikroprocesoriaus tipas (universalus ar specializuotas, vienakristalis ar daugiakristalis). Duomenu žodžio ilgis (4, 8, 16, 32) - lygiagreciai apdorojamu skilciu skaicius mikroprocesoriuje. Žodžio ilgis gali buti fiksuotas ir kintamas (daugiakristaliuosc mikroprocesoriuose). Adresuojamu atminties žodžiu skaicius. Paprastai kuo ilgesnis duomenu žodis, tuo daugiau adresuojama atminties žodžiu. Veikimo sparta. Dažniausiai tai - per sekunde atliekamu operaciju skaicius. Gamybos technologija (pM0P, nM0P, KMOP, TTL ir t. t.). Valdymo principas "griežta logika", programinis valdymas arba mikroprograminis valdymas. Vartojamoji galia, maitinimo itampos. Korpuso dydis, išvadu skaicius, integracijos laipsnis.
20
Technologinis procesas

• Iki 2010Intel naudojo 45 nm procesoriu gamybos
  technologini procesa. Taciau jau paskutiniji šiu
  metu ketvirti bendrove pradejo diegti 32 nm
  gamybos technologija. Ji buvo naudojama gaminant
  pirmuosius Arrandale kodiniu pavadinimu žymimus
  procesorius su 2 branduoliais ir integruotu
  grafikos valdikliu.
• 2011 m. Intel pareita prie 22 nm lustu gamybos
  budo. Tai igalino padidinti procesoriu našuma ir
  dar labiau sumažinti ju poreiki elektros
  energijai.
• Iki 2013 m. pabaigos Intel ketina ivaldyti
  procesoriu gamyba pagal 16 nanometru
  technologija. Manoma, kad visi jie tures daugiau
  nei po 4 branduolius.
• 10 nm technologija numatoma 2015, 7 nm - 2017, o
  5 nm - 2019.

21

• Šiuo metu vis dar naudojamas aliuminis tampa vis
  didesniu stabdžiu, kadangi visa laika mažinant
  tranzistoriu matmenis jungiamieji takeliai
  santykinai užima vis didesne kristalo dali.
• Aktyviai vystoma technologija, kuri leidžia
  puslaidininkiuose aliuminio takelius pakeisti
  varinais.
• Varis yra žymiai geresnis laidininkas negu
  aliuminis (vario specifine varža yra 0.0175, o
  aliuminio 0.028 Ohmmm²/m). Todel galima
  sumažinti laidininku skerspjuvi.

22
MP greitaveika

• Matuojamas 2 budais
• paprasciausios operacijos (pvz.duomenu
  persiuntimo iš vieno registro i kita) laiku
• operaciju skaiciumi, atliekamu per 1 s,
• CPU Benchmark results (Baselines , Passmark
  CPU Mark)
• The following list describes each of the tests
  performed
• Integer Maths Test
• Compression Test
• Prime Number Test
• Encryption Test
• Floating Point Math Test
• SSE/3D Now Test
• Image Rotation Test
• String Sorting Test

23
1981 Pirmasis IBM PC (IBM 5150) (Intel
80884,77 MHz, 16-256 kB RAM, 360 kB, 5,25 FD)
Zilog Z 80
24
(No Transcript)
25
akumuliatorius
26
(No Transcript)
27
RAM adresavimo galimybes

• 16b 64k
• 20b 1 M
• 32b 4 295 M
• 64b ?

28
Adresu dešifravimas
1111 ? 0
29
(No Transcript)
30
(No Transcript)
31
(No Transcript)
32
Intel Pentium-4 lustu rinkinio ALi
ALLADIN-P4 blokine schema
33
(RAM)
(R0M)
34
(No Transcript)
35
(No Transcript)
36
(No Transcript)
37
(No Transcript)
38
(No Transcript)
39
(No Transcript)
40
(No Transcript)
41
(No Transcript)
42
3 busenu schema
išrinkimas
išvestis
ivestis
43
(No Transcript)
44
3 etapu logika
Kombinatorius formuotuvas buferis
45
3 busenu schema
išrinkimas
išvestis
ivestis
46
3 etapu logika
Kombinatorius formuotuvas buferis
47
(No Transcript)
48
(No Transcript)
49
(No Transcript)
50
Intel Pentium-4 lustu rinkinio ALi
ALLADIN-P4 blokine schema
51
(RAM)
(R0M)
52
(No Transcript)
53
(No Transcript)
54
(No Transcript)
55
3 busenu schema
išrinkimas
išvestis
ivestis
56
(No Transcript)
57
Adresu dešifravimas
58
(No Transcript)
59
3 etapu logika
Kombinatorius formuotuvas buferis
60
(No Transcript)