1. Úvod do mikroprocesorov
Niekedy na prelome šesťdesiatych a sedemdesiatych rokov sa objavil nový druh elektronickej súčiastky, ktorý od základu zmenil prakticky celú výpočtovú techniku - mikroprocesor. Čo je vlastne mikroprocesor ? Už na prvý pohľad je jasné, že je to slovo zložené z dvoch častí : predpony Miro a slova procesor. Predpona Miro v tomto prípade znamená, že mikroprocesor je jeden miniaturizovaný obvod a slovo procesor znamená, že táto súčiastka dokáže podľa nejakého programu spracovať dáta. Základnou vlastnosťou mikroprocesora odlišujúcou ho od ostatných elektronických odvodov je teda programovateľnosť. Mikroprocesor teda dokáže vykonávať nejaký program. Druhou vlastnosťou mikroprocesora je to, že ide o jednu súčiastku, prípadne malú množinu súčiastok,ktoré navonok vystupujú ako jeden.
Na myšlienke integrovať všetky funkcie procesora do jedného obvodu určite pracovalo viac firiem, prvenstvo však patrí spoločnosti Intel, ktorá začala výrobu prvého mikroprocesora Intel 4004 v roku 1971. Vie sa, že firma údajne nevyvíjala obvod 4004 s cieľom vyrobiť plnohodnotný mikroprocesor, ale s cieľom pripraviť nový obvod pre elektronické kalkulačky. Preto si zvolili štvorbitové slovo obvodu 4004 vhodné pre operácie s číslami v desiatkovej sústave. Nech to bolo už akokoľvek, obvod 4004 bol prvým elektronickým prvkom, ktorého programovateľnosť umožnila univerzálne využitie v množstve najrôznejších logických zariadení. Mikroprocesor vyrobený vo veľkých sériách tak predstavoval významnú úsporu oproti malým sériám špecializovaných obvodov.
Firma Intel samozrejme výhody tohto obvodu využila a už v roku 1972 prišla s obvodom 8008, čo bol plnohodnotný univerzálny mikroprocesor s osembitovým slovom. Zároveň sa na trhu objavili mikropočítačov stavebnice MCS 4 a MCS 8, čo boli súpravy podporných obvodov, ktoré uľahčovali zostavovanie kompletného funkčného zariadenia okolo obvodu 4004 alebo 8008. Do roku 1975 bolo na trhu asi dvadsať mikropočítačových stavebníc, ale Intel si udržal prevahu.
V roku 1976 sa však objavila tretia generácia mikroprocesorov. Tieto obvody sa od svojich predchodcov veľmi nelíšili. Rozdiely boli v rýchlosti, mali zdokonalenú inštrukčnú súpravu, obvody samostatného mikroprocesora už nahradili množstvo funkcií dovtedy používateľných v podporných obvodov. Typickým predstaviteľom tejto generácie mikroprocesorov bol Intel 8085, ktorý sa ale na trhu neudržal. Vývojový tím, ktorý tieto mikroprocesory dovtedy vyvíjal, odišiel a založil spoločnosť Zilog, kde vytvoril vlastný mikroprocesor, preslávený Zilog Z- 80. Ten bol na svoju dobu výrazne lepší ako jeho konkurenti, takže ho môžeme nájsť ešte aj dnes v niektorý jednoduchších zariadeniach, ako sú niektoré automatické práčky, jednoduchšie kopírky, lacné tlačiarne, hračky a iné. Tí starší si iste spomenú na slávny mikropočítač Sinclair Spectrum, ktorý ho tiež využíval.
2. Výroba mikroprocesoru
Prvým bodom výroby mikroprocesoru je jeho návrh. Ten je testovaný na symulačných počítačoch a slúži na odhalenie chýb. Po úspešnom otestovaní funkcií sa prechádza k fáze výroby kremíkových plastov, ktoré sú od začiatku vyrábané v super čistom prostredí. Na rozdiel od bežných miestností kde je asi 15 miliónov prachových častíc na 28 400 cm2 obsahuje čistá miestnosť menej než jednu prachovú časticu. Kremík (hlavná zložka piesku) je základná súčasť všetkých mikroprocesorov. Ten sa musí najprv vyčistiť na 99.9999999 % potom sa roztaví a odleje do valcových foriem, v ktorých vzniknú kryštalické ingoty. Ingoty sa potom narežú na tenké pláty a ich povrch sa dokonale vyhladí. Z jedného takéhoto plátku sa môže vyrobiť až 100 mikroprocesorov. Každý mikroprocesor je kontrolovaný ako viacposchodová budova, viac vrstiev materiálu spolu vytvárajú celok. Pri výrobe jednotlivých vrstiev sa používa technológia známa ako Fotolitografia. Pomocou tejto technológie prenášame postupne po jednotlivých vrstvách design jednotlivých obvodov na kremíkový plátok. Schematický návrh obvodov je pripravený pre každú vrstvu vo forme masky alebo šablóny. Tá pôsobí do istej miery ako fotografický negatív tým, že sa na kremíkový plátok prenesie iba časť schémy obvodu. V závislosti od typu vrstvy sa na plátok nanášajú rôzne vodivé alebo izolačné materiály, cez neho sa umiestni maska a celý je vystavený pôsobeniu ultrafialového žiarenia, čím dôjde k zmäkčeniu nezakrytých oblastí, ktoré sú rozpúšťané chemickými rozpúšťadlami. Celý tento proces sa opakuje pre všetky vrstvy obvodov, pričom vrstvy majú často veľkosť baktérie. Potom sa kremíkový plátok prejde asi 250-mi výrobnými operáciami a je špeciálnymi lasérmi narezaný na jednotlivé mikroprocesory. Každý mikroprpcesor je vložený do ochranného púzdra so špičkami (piny), ktorými je možné pripojiť mikroprocesor k iným zariadeniam.
3. Firma INTEL
Firma bola založená Gordonom E. Moorom a Robertom N. Noycem v roku 1968 so zámerom konštruovať zložité kremíkové čipy. Výrobný program spoločnosti Intel sa od začiatku sústredil na vývoj a výrobu integrovaných obvodov. Podľa tohto vytýčeného programu vytvorili názov firmy Integrated Electronic. Intel stál na začiatku 70-tych rokov pri zrode mikroprocesora a dynamickej pamäte.
3.1 Intel i4004
Mikroprocesor bol vyrobený v roku 1970 na objednávku japonskej firmy Busicom. Čip, ktorého autorom bol Marcian Hoff obsahoval 2300 tranzistorov na kremíkovom plátku 3x4 mm a bol určený pre použitie vo vreckových kalkulačkách. 4 bitový, 108 kHz procesor sa predával za 200 dolárov, čo mu zaručilo pomerne dobrú predajnosť. Mikroprocesor sa od existujúcich IO líšil predovšetkým so svojou schopnosťou pracovať s inštrukciami. Obvod bol vyrobený 10 mikrónovou technológiou.
3.2 Intel i 8008
Bol prvý 8 bitový mikroprocesor a bol vyvinutý v roku 1971. Pozostával z 3500 tranzistorov, vedel adresovať až 64 kB pamäte a pracoval na frekvencií 200 kHz. Jeho výkon sa pohyboval okolo 60 000 inštrukcií za sekundu.
Zostavu mikropočítačového systému tvorí CPU 8008 s obvodmi I/O a ľubovolným typom rýchlych polovodičových pamätí. Mikroprocesor obsahuje 6 osembitových registrov dát dva 8 bitové pomocné registre a,b 4 testovateľné príznakové bity, 8 bitovú paralelnú aritmetickú jednotku 14 bitový programový čítač.
3.3 Intel i 8080
Bo uvedený na trh v roku 1974. Obsahoval 6000 tranzistorov a bola použitá 6 mikronová technológia. Základná frekvencia 2 MHz umožnila vykonávať 20x viac inštrukcií za sekundu ako i4004. Mikroprocesor obsahuje 6 registrov dát, 4 dočasné registre, akumulátor (8 bitové) a 8 bitovú paralelnú ALU Procesor obsahuje 16 bitovú adresnú a 8 bitovú dátovú zbernicu.
Procesor umožňuje:
• Pracovať s registrami – presun register-register , register-pamäť
• Aritmetické operácie – binárny súčin alebo rozdiel
• Logické operácie – AND, OR
• Inštrukcie programového čítača
• Inštrukcie vstupu a výstupu
3.4 Intel i8086
Bol uvedený v marci 1976a obsahoval 29 000 tranzistorov pri použití 3 mikrónovej technológie. CPU môže pracovať s dátami v šírke 8 alebo 16 bitov. Je taktovaný na 4,77 MHz (neskôr 8 MHz) kryštálom. Bol prvým 16 bitovým mikroprocesorom a stal sa základom najrozšírenejších počítačov triedy IBM PC XT.
Obsahuje 12 16-bitových registrov prístupných priamo a 2 registre prístupné nepriamo. Medzi priamo dostupné patrí štvorica segmntovných registrov – CS, DS, SS, ES. Ďalších osem možno považovať za univerzálne. Štyri z nich sú dátové registre. Inštrukčný súbor jr doplnený o násobenie, delenie, spracovanie dát v dekadickom tvare
Dovoľuje adresovať až 1 MB operačnej pamäte, ktorá je delená na 64 kB bloky (segmenty), ku ktorým sa pristupuje pomocou segment registra. Počiatočné adresy segmentov pamäte sú uložené v segmentových registroch SC, SS, DS, ES. Pri dekódovaní 20 bitovej inštrukcie sa registre používajú ako prvých 16 bitov a nasledujúce 4 sa doplnia jednotkami a nulami
Logika je nasledujúca:
• Register CS – odkazy do kódu, tj. Skoky, adresy podprogramov
• Register SS – operácia so zásobníkom
• Register ES – Operácia s reťazcami bitov
• Register DS – Ostatná manipulácia s dátami
3.5 Intel i80286
Objavil sa vo februári 1982. Skladal sa zo 165 000 tranzistorov a bol vyrobený 1.5 mikrónovou technológiou s využitím 16-bitovej zbernice. Bol to prvý procesor ktorý obsahoval jednotku riadenia pamäti. Táto jednotka fungovala iba v chránenom režime, čo bol novo zavedený režim práce procesoru, v ktorom mohlo byť adresovaných 16 MB skutočnej pamäte a až 1 GB virtuálnej pamäte. Kvôli komplikovanosti chráneného režimu sa takmer nepoužíval. Prvá verzia bola taktovaná na 6 MHz, nasledovali 10 a 12 Mhz.
3.6 Intel i80386
Október 1985 bol v znamení nového mikroprocesoru i80386. Najprv bol vyrábaný technológiou 1.5 (275 000 tranzistorov) potom 1.0 (855 000 tranzistorov). Taktovacia frekvencia sa pohybovala od 16-33 MHz.
Registre mikroprocesoru môžeme rozdeliť:
• Aplikačné registre – Slúžia na obyčajné dátové operácie
• Systémové registre – Patria sem registre pre riadenie a zisťovanie stavu procesoru. Ďalej sú tu registre, ktoré obsahujú dôležité systémové oblasti.
• Ladiace registre – rozlišujú možnosti programového riadenia
Aplikačné registre ďalej delíme:
• Obecné – šesť 16-bitových registrov a osem 32-bitových.
• Systémové – 32-bitové registre ESP (ukazovateľ zásobníku) EIP (čítač programu)
• Segmentové – 32-bitové registre
Správa pamäti procesoru sa skladá z dvoch vrstiev. Vyššia (zaisťuje segmentáciu) a Nižšia (zaisťuje stránkovanie). Register neobsahuje priamo adresu segmentu ale adresy sú uvedené v tabuľke kde je daná presne adresa segmentu a mnoho doplňujúcich údajov.
3.7 Intel i80486
Mikroprocesor bol predstavený v máji 1989. Najprv bol vyrábaný 1.0 mikrónovou technológiou, ktorú neskôr vystriedala technológia 0,8. Obsahoval 1,2 milióna tranzistorov a taktovacia frekvencia bola od 25 MHz po 66 MHz.
Mikroprocesor bol doplnený o:
- Jednotku operácií s pohyblivou rádovou čiarkou
- Vyrovnávacia pamäť
- Novou technológiou blízkou RISC
Na jednom čipe je spolu s mikroprocesorom integrovaná jednotka FPU (Floating Point Unit)
Mikroprocesor využíval internú vyrovnávaciu pamäť (cache) 8 kB spoločnú pre dáta aj pre program.
V roku 1992 sa objavila modifikácia procesoru i80486, ktorá používala 2 násobnú internú frekvenciu oproti externej frekvencií zbernice, čo umožnilo použitie v starších základných doskách. Táto modifikácia bola označená ako 486DX2. Značenie DX značilo že procesor obsahoval interný koprocesor. Označenie SX znamenalo mechanicky odpojený koprocesor.
3.8 Intel Pentium
Procesor bol prvýkrát predstavený v roku 1993. Mal sa volať 586 ale keďže číselné značky nemožno chrániť patentom bol premenovaný na Pentium.
Pentium bolo realizované 08 mikrónovou technológiou a obsahovalo 3,1 milióna tranzistorov na ploche necelého cm2. Bol kompatibilný aj so staršími procesormi. Pracuje 2x rýchlejšie pri výpočte celo číselných údajov a 3-7 krát rýchlejšie pri výpočte údajov s pohyblivou desatinou čiarkou. Je to 32 bitový procesor a obsahuje špeciálnu internú 64-bitovú zbernicu.
Procesor obsahuje 2 paralelné cesty U a V. Spracovanie inštrukcií prebieha nasledovným algoritmom:
- PF – predpovedanie inštrukcie
- D1 – dekódovanie inštrukcie
- D2 –vytvorenie adresy
- EX – uskutočnenie inštrukcie
- WB – dokončenie inštrukcie
Súbor inštrukcií obsahuje 6 nových inštrukcií z čoho sú zaujímavé nasledujúce dve:
- CPUID – identifikácia procesu
- CR4 – nový riadiaci register mikroprocesoru
V januári 1997 sa objavuje Pentium ktoré obsahuje 57 nových inštrukcií. Označil sa MMX. Tieto inštrukcie boli určené pre zrýchlenie operácií pri spracovaní grafických a zvukových aplikácií. Je postavený na technológií 0,35, čo umožňuje pri znížení vnútorného napätia zvýšiť výkon. Taktovacia frekvencia sa vyšplhala na 233 MHz.
3.9 Intel Pentium Pro
Bol uvedený na trh 11. januára 1995. Je zložený z 5,5 milióna tranzistorov. Vyrobený technológiou 0,35.
S novým procesorom začal Intel vo veľa veciach od začiatku. Obdĺžnikový obal, ktorý obsahoval dve pätice a úplne nový design hlavných dosiek boli najnápadnejšie znaky. Medzi ďalšie novinky patrí 3x PiPELINING (zreťazené spracovanie inštrukcie). Pentium Pro potrebuje pre svoju činnosť najlepšie 32 bitové aplikácie.
Najnápadnejším znakom je Level 2 Cache (L2 Cache), ktorá sa nachádza mimo procesoru. Slúži ako medzi pamäť pre častejšie používané dáta. CPU a L2 Cache komunikujú po 64 –bitovom rozhraní.
Dynamic Execution – Nový spôsob ku spracovaniu inštrukcií, ktorý zahŕňa tri základné činnosti.
ANALÝZA TOKU DÁT – procesor zisťuje, ktorá inštrukcia je od ktorej závislá a ktoré dáta sú potrebné na jej
Vykonanie.
PREDPOVEDANIE SKOKOV – Procesor podľa vykonaných inštrukcií určuje čo môže s najväčšou
pravdepodobnosťou nastať po jej vykonaní tak sa zrýchľuje jeho činnosť
ŠPEKULATÍVNE VYKONÁVANIE INŠTRUKCIÍ – Pre vykonanie inštrukcie sú potrebné dáta, ak ich
procesor nemá pri vykonaní niektorej inštrukcie nečaká na ne ale vykonáva inú inštrukciu a k tejto sa vracia po prijatí dát.
3.10 Intel Pentium II
Bol predstavený 24. októbra 1998. Obsahoval 7,5 milióna tranzistorov a bol vyrobený technológiou 0,25. Taktovacia frekvencia sa pohybovala v stovkách MHz
Neskôr Intel vyrobil modifikáciu Pentia II. Kde vypustil vyrovnávaciu pamäť L2 Cache a nazval ho Celeron. Dosahoval externú frekvenciu 66 MHz a internú frekvenciu od 266 – 300 MHz umožnila dostatočnú rýchlosť pri počítaní s pohyblivou rádovou čiarkou.
Verzia uvedené 15. mája 1999 je vyrobená 0.18 mikrónovou technológiou a pracuje s frekvenciou 466 MHz. Verzia z konca roku 1999 pracuje s frekvenciou 500 MHz.
3.11 Intel Pentium III
Vyrábal sa od 3. marca 1999. Dodávali sa v dvoch púzdrach SECC a SECC2, ktoré bolo kompatibilné s doskami na Pentium II-ky. Boli vyrábané 0,25 mikrónovou technológiou a obsahovali 9.5 milióna tranzistorov . Používa tiež L1 a L2 Cache.
Od tohto procesoru má každý mikroprocesor integrované sériové číslo, t.j. nkto okrem výrobcu ho nevie.
KNI (Katmai new Instruction) – Je v podstate rozšírenie inštrukčného súboru MMX o niekoľko inštrukcií ktoré majú úlohu urýchliť často sa opakujúce akcie