1 / 78

X 13 UIT Procesory I.

X 13 UIT Procesory I. Lecture 2 Ing. Martin Molhanec, CSc. Procesor. Procesor CPU (Central Processor Unit) je základní jednotka počítače vykonává aritmetické, logické a jiné operace Existuje mnoho typů CPU V oblasti osobních počítačů zaujímá vedoucí postavení fa INTEL

lareina-garrett
Download Presentation

X 13 UIT Procesory I.

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. X13UITProcesory I. Lecture 2 Ing. Martin Molhanec, CSc.

  2. Procesor • Procesor • CPU (Central Processor Unit)je základní jednotka počítačevykonává aritmetické, logické a jiné operace • Existuje mnoho typů CPU • V oblasti osobních počítačů zaujímá vedoucí postavení fa INTEL • Druhá nejvýznamnější firma je AMD

  3. Procesor -vlastnosti • Architektura • Rychlost • Adresace • Šířka datové sběrnice • Toto jsou nejdůležitější vlastnosti každého procesoru • Výkonnost ovšem ovlivňují i další parametry, například velikost čipu, způsob chlazení, atp. • Velice důležitým parametrem je také tzv. kompatibilita (slučitelnost)!

  4. CPU a RAMzákladní sestava a její parametry Adresové sběrnice RAM CPU REG ALU ADR Adresová sběrnice Datová sběrnice Datové sběrniceINTERNÍ INS Datové sběrniceEXTERNÍ REG – registry procesoru ALU – aritmeticko logická jednotkaADR – jednotka adresace INS – instrukční jednotka

  5. adresová a datová sběrnice • Address Bus – adresová sběrnice • Šířka adresové sběrnice (počet bitů) udává velikost paměti, kterou je procesor schopen fyzicky adresovat • Data Bus – datová sběrnice • Šířka datové sběrnice (počet bitů) udává množství dat, které je možné v jediném okamžiku přesunout mezi pamětí a procesorem • Frekvence datové sběrnice udává kolikrát za sekundu můžeme uskutečnit přenos dat

  6. adresová a datová sběrnice Datový výkon = šířka sběrnice * frekvence • POZOR ! • Může se udávat v bitech nebo bytech ! • U mnoha procesorů je rozdílná šířka sběrnice a frekvence u interní a u externí sběrnice !

  7. IBM PC - INTEL • Osobní počítače typu IBM PC jsou postaveny na procesorech fy INTEL • První procesor, který byl v IBM PC použit byl procesor 8088, který je interně shodný s procesorem 8086 • (má interní sběrnici 16bitů a externí sběrnici 8bitů!)

  8. Programátorský pohled na 8086 16 bitů 16 bitů AX CS BX SS Sada obecných a indexových registrů CX DS DX ES SI DI BP Registr příznaků Segmentové registry SP FLAGS Instrukční pointer 16 bitů  216 = 64k IP

  9. Princip segmentace8086 Limit = OFFSET =16 bitů  216 = 64k 20 bit 16 bit 0000 OFFSET OPERAND Limit 16 bit BASE SEGMENT 0000 OPERAND = SEGMENT * 16 + OFFSET 16+4=20 bitů  220 = 1M

  10. 8086 - segmentace • Fyzická adresace  20 bit = 1MB • Velikost segmentu  16bit = 64kB • 4 segmentové registry CS : kódový SS : zásobníkový DS : datový ES : extra • Výhody • Stačí pouze 16bit ALU a interní sběrnice mezi registry! (levnější chip!) • Kratší strojový kód (kratší adresa) • Podpora multitasku (přepínání segmentových registrů, relativní adresace)

  11. MSW CS Stavový registr SS DS ES 16 bitů 48 bitů LDTR GDTR TR IDTR Programátorský pohled na 80286 16 bitů 16 bitů AX BX CX Stejné jako u 8086! Instrukční registr nás nebude zajímat. DX SI DI Změněný význam!SELEKTORY BP SP Nové registry ! DESKRIPTORY

  12. OFFSET 16 bitů64k rozsah 48 bitů celkem24 bitů na bázovou adresu224 = 16M paměťového prostoru Limit segmentu 64k OPERAND BASE BASE ADDRESS 16 bitů celkem13 bitů na index213 = 8k deskriptorů přesun SELEKTOR deskriptor Tabulka deskriptorů 8k položek BASE GDTR nebo LDTR 48 bitů celkem24 bitů na bázovou adresu224 = 16M paměťového prostoru položka tabulky64 bitů celkem 48 bitů deskriptor24 bitů na adresu Princip segmentace80286

  13. 80286 • Procesor 80286 je v chráněném režimu neslučitelný s procesorem 8086 v reálném režimu • Důvodem je jiný význam segmentového registru (báze), nyní se jedná o selektorový registr (index) • Programátor má k dispozici stále segmenty o maximální velikosti 64k • Nicméně tyto segmenty mohou být rozmístěny v prostoru až 16M fyzické paměti a až 1G paměti virtuální Z výše uvedených důvodů, nemohl být procesor 80286 v počítačích typu IBM PC AT pořádně využit. Pracoval pouze jako rychlá 8086 !MS DOS pracuje pouze v reálném módu !

  14. AX BX CX DX SI DI BP SP Programátorský pohled na 80386 16 bitů 16 bitů 32 bitů CS EFLAGS SS Stavový registr DS ES Přejmenován a rozšířen

  15. 32 bitů EAX AX EBX BX ECX CX EDX DX ESI SI Sada registrů je rozšířena na 32 bitů EDI DI EBP BP ESP SP Programátorský pohled na 80386 16 bitů 32 bitů CS EFLAGS SS Stavový registr DS ES

  16. 16 bitů 32 bitů CS EAX AX SS EBX BX ECX CX DS ES EDX DX FS ESI SI Sada registrů je rozšířena na 32 bitů GS EDI DI EBP BP ESP SP Programátorský pohled na 80386 32 bitů EFLAGS Stavový registr Přidány další dva selektory

  17. 16 bitů 32 bitů CS EAX AX SS EBX BX ECX CX DS ES EDX DX FS ESI SI Sada registrů je rozšířena na 32 bitů GS EDI DI EBP BP ESP SP 16 bitů 48 bitů LDTR GDTR TR IDTR Programátorský pohled na 80386 32 bitů EFLAGS Stavový registr Přidány další dva selektory

  18. 16 bitů 32 bitů CS EAX AX SS EBX BX ECX CX DS ES EDX DX FS ESI SI Sada registrů je rozšířena na 32 bitů GS EDI DI EBP BP ESP SP 32 bitů 16 bitů 48 bitů CR0 LDTR GDTR CR1 TR IDTR CR2 CR3 Programátorský pohled na 80386 32 bitů EFLAGS Stavový registr Přidány další dva selektory

  19. OFFSET 32 bitů4G rozsah 64 bitů celkem32 bitů na bázovou adresu232 = 4G paměťového prostoru Limit segmentu 4GB OPERAND BASE BASE ADDRESS 16 bitů celkem13 bitů na index213 = 8k deskriptorů přesun SELEKTOR deskriptor Tabulka deskriptorů 8k položek BASE GDTR nebo LDTR 64 bitů celkem32 bitů na bázovou adresu232 = 4G paměťového prostoru položka tabulky64 bitů deskriptor32 bitů na adresu Princip segmentace80386

  20. 80386 • Má k dispozici dvě tabulky deskriptorů GDTR a LDTR • Každá tabulka může obsahovat až 8k deskriptorů, celkem tedy 16k deskriptorů • Deskriptor obsahuje 32 bitovou adresu  adresace až 4G fyzické paměti po 4G segmentech • Celkem lze ovšem adresovat 2*8k*4G  64T virtuální paměti

  21. 80386 • Díky 32 bitovým registrům jsou mezisegmentové skoky zcela zbytečné!Hovoříme potom o tzv. lineárním modelu paměti! • Je zajištěno, že 80386 může vykonávat i kód 80286! Není velký problém, oba procesory používají selektory! • Nicméně kód 8086 stále není možné v chráněném režimu 80386 vykonávat. To je ovšem značný problém ! Programy pro MS DOS jsou stále omezeny na reálný režim procesoru 80386 !

  22. Virtuální mód 80386 • Jedná se o speciální režim procesoru 80386, který je kompatibilní s tzv. reálným módem procesorů 8086! • Význam registrů CS, DS, … je opět segment. • Na rozdíl od reálného režimů je ve virtuálním režimu aktivní tzv. stránkování paměti! Pomocí virtuálního módu se vytvářejí virtuální procesory 8086 uvnitř procesoru 80386! Důvodem pro vznik virtuálního móduu procesoru 80386 bylo přání uživatelů mít možnost využívat i starší MS DOS programy v nových OS, které dokáží využívat všech možností procesoru 80386!

  23. Stránkování paměti Lineární adresa 32 bitů Fyzická adresa 32 bitů Stránkovací mechanismus Paměť se stránkuje po 4k blocích prostřednictvím dvou tabulek.

  24. Stránkování paměti Každý program si myslí, že má pro sebe souvislou část paměti!Toto usnadňuje multitasking a existenci virtuálního módu!

  25. 80386 – závěr! • Chráněný mód 80386 umožňuje programovat s lineární adresou až 4GB paměti! • Je kompatibilní s 80286 • Speciální virtuální režim umožňuje běh starých programů určených pro reálný mód 8086 současně s programy určenými pro chráněný režim 80286 nebo 80386!

  26. Procesory INTEL

  27. Závěr - architektura • Architektura procesoru 8086 byla ve své době úspěšným kompromisem! • Nicméně ovlivnila architekturu všech dalších nástupců: 80286, 80386, … • Procesor 80386 díky virtuálnímu režimu umožnil současný běh programů pro 8086. • Dalším podstatnou změnou architektury (z hlediska běžného programátora) je až přechod na 64bitovou architekturu!

  28. Předchůdciprocesoru 8086 • 4004 • 4 bitový procesor, měl řídit kalkulačku • 8008 • 8 bitový procesor, měl řídit ASCII terminál • 8080 • 8 bitový procesor, první s univerzálním účelem • 8085 • Vylepšená verze 8080, hlavně HW (není kompatibilní s 8080) • Z80 (fa ZILOG) • Vylepšená verze 8080, jak HW (není kompatibilní s 8080), tak SW

  29. 8086, 8088 – základní údaje • Rok vzniku 1978 • Rychlost 5MHz • 29 000 tranzistorů • 3 µm technologie • 10 * rychlejší nežli 8080 • 16 bitová CPU • 1 MB fyzické paměti • 20 bitová adresa • 16 bitová data – 8086 • 8 bitová data – 8088 (ekonomické řešení)

  30. 8086, 8088 - vlastnosti • První 16 bitový procesor • Ve své době velmi dobré řešení • Cena, výkon, kompatibilita,… • Rozdíl ve vnější datové sběrnici • 8086 : 16 bitů • 8088 : 8 bitů (možnost využívat desky pro 8 bit, levné!) • Vnější matematický koprocesor 8087! • První IBM PC využívalo právě z ekonomických důvodů procesor 8088! • První verze osobních počítačů fy IBM • IBM PC (jen FD) • IBM PC XT (eXtended Technology) (měl už HD!)

  31. Jak vlastně první PC vypadalo?

  32. IBM PC • Základní systém • Základní deska (MB)s CPU a RAM a sběrnicí • Rozšiřující desky(řadiče, modem, …) • Rozšiřující periferie(FD, HD) • Skříň (CASE) • Externí periferie • Monitor • Klávesnice • Myš(později, ale už pod DOSem) • Tiskárna • Modem • …

  33. 80286 – základní údaje 80186 a 80188 Jsou speciální procesory, které měly vlastnosti procesorů tzv. jednočipových. Obsahovaly řadič přerušení, DMA, čitače a seriový I/O. Porty neobsahovaly. Používaly se hodně a dlouho v řídicích systémech ! • Rok vzniku 1982 • Rychlost 8MHz • 134 000 tranzistorů • 1.5 µm technologie • 3 až 6 * rychlejší nežli 8086 • 16 bitová CPU • 16 MB fyzické paměti • 1 GB virtuální paměti • 24 bitová adresa • 16 bitová data – 80286 Kam zmizely 80186 a 80188? 80288 existovala, ale v PC se nepoužívala!

  34. 80286, 80288 - vlastnosti • V reálném módu zpětně kompatibilní s 8086, ale rychlejší! • V chráněném módu umožňuje pracovat s větší pamětí, přestože je interně stále pouze 16 bitový. • Podpora multitaskingu a práce s virtuální pamětí. • Čip s mnoha kompromisy..

  35. 80286, 80288 - vlastnosti • Rozdíl ve vnější datové sběrnici • 80286 : 16 bitů • 80288 : 8 bitů (možnost využívat desky pro 8 bit, levné!) • Vnější matematický koprocesor 80287! • Verze osobních počítačů fy IBM • IBM PC AT (Advanced Technology) • MS DOS • Pro tento OS neměl podstatný význam !Žádný MS DOS 286 nevznikl • Využíván tzv. extendery, které se využívaly hlavně pro programování her!

  36. 80386, 80386SX – základní údaje • Rok vzniku 1985 • Rychlost 16MHz • 275 000 tranzistorů • 1 µm technologie • 32 bitová CPU • 4 GB fyzické paměti • 64 TB virtuální paměti • 32 bitová adresa • 32 bitová data – 80386 • 16 bitová data – 80386SX (ekonomické řešení)

  37. 80386, 80386SX - vlastnosti • Podobně jako 80286 je v reálném módu zpětně kompatibilní s 8086, ale rychlejší! • V chráněném módu umožňuje pracovat s větší pamětí (4GB/64TB) s lineární adresou, protože je interně už 32 bitový!Mimo segmentaci podporuji i stránkování! • Ještě vyšší podpora multitaskingu a práce s virtuální pamětí.Podpora vytváření tzv. virtuálních počítačů! Možnost vykonávat kód procesoru 8086 ve virtuálním módu současně s kódem pro chráněný režim. Programátorský model 80386 platil skoro dodnes ! Nový model přinesla teprve 64bitová architektura!

  38. 80386, 80386SX - vlastnosti • Rozdíl ve vnější datové sběrnici • 80386 : 32 bitů • 80386SX : 16 bitů (možnost využívat desky pro 16 bit, levné!) • Vnější matematický koprocesor 80387! • Osobních počítačů typu IBM PC • IBM ztratila vedoucí postavení, počítač typu PS/2 nebyl úspěšný! • Vedení vývoje se ujali tzv. výrobci klonů, například COMPAQ, AST, aj. • Operační systémy • MS Windows, Linux, aj. – mají schopnost vykonávat kód programů pro MS DOS ve virtuálním režimu! • Výrobci • Silný nástup výrobců kompatibilních čipů, například AMD, aj.

  39. Přehled prvních procesorů fy INTEL pro IBM PC

  40. Přehled prvních procesorů fy INTEL pro IBM PC DIP – Dual InLine PackagePGA – Pin Grid Array PLCC – Plastic Leaded Chip CarrierPQFP - Plastic Quad Flat Package

  41. POUZDRA Je levnější! DIP (DIL)(Dual InLine Package) PGA(Pin Grid Array) PLCC(Plastic Leadless Chip Carrier) SMT (Surface Mount Technology) Zvětšuje se počet pinů

  42. POUZDRA Je levnější! DIP (DIL)(Dual InLine Package) PGA(Pin Grid Array) PQFP(Plastic Quad Flat Package) SMT (Surface Mount Technology) Zvětšuje se počet pinů

  43. poznámky • Procesory fy INTEL vyráběla v Evropě fa SIEMENS (licence) • Známé a výkonnější byly klony od fy NEC (V20, V30, …) • Měly lepší architekturu a HW emulaci 8080, při zachování plné HW i SW slučitelnosti ! • Nelegální kopie vyráběly státy RVHP ČSSR : 8080 SSSR : 8086 NDR : Z80 BLR : ? Motorola • Speciální verze • 80386SL, 80386SLC : pro nízký příkon • 80386EX : pro řídicí účely, podobně jako 80186

  44. 80486, 80486SX – základní údaje • Rok vzniku 1989 • Rychlost 25MHz • 1 200 000 tranzistorů • 1 µm technologie • 32 bitová CPU • 32 bitová adresa • 4 GB fyzické paměti • 64 TB virtuální paměti • 32 bitová data • 80486 – má FPU • 80486SX – nemá FPU • Později se 80486 přejmenovala na 80486DX !

  45. 80486, 80486SX – vlastnosti • Vylepšený vnitřek (2x rychlejší)Dvě datové sběrnice. • 80486 ≈ 80386 + FPU + L1 cache • 80486SX ≈ 80486 – FPU • 80487 ≈ 80486 (jiné zapojení) • Později se 80486 přejmenovala na 80486DX ! • L1 cache = 8kB, Write-Through • Patice PGA + ZIF (Zero Input Force)

  46. 80486DX2, 80486DX4 • Interní přetaktování – CPU běží na vyšší frekvenci nežli sběrnice ! • 80486DX2 : násobitel 2x • 80486DX4 : násobitel 3x ! + L1 cache 16kB(8kB data+8kB kód)

  47. Socket 1,2,3 • 169 Pinů • 17 x 17 PGA • 5v • SX / SX2, DX/DX2, DX4 OverDrive • 238 pinů • 19 x 19 PGA • 5v • SX/SX2, DX/DX2, DX4 OverDrive, 486 Pentium OverDrive • 237 pinů • 19 x 19 PGA • 5v/3.3v • SX/SX2, DX/DX2, DX4 OverDrive, 486 Pentium OverDrive Více pinů! Menší napětí!

  48. Pentium – základní údaje(1. generace – P5,P54C) • Rok vzniku 1993 • Rychlost 60MHz • 3 100 000 tranzistorů • 0.8 µm technologie • 32 bitová CPU • 32 bitová adresa • 4 GB fyzické paměti • 64 TB virtuální paměti • 64 bitová data • Původně 80586, ale nakonec se INTEL rozhodl pro název Pentium, který bylo možné lépe komerčně ochránit!

  49. Pentium – vlastnosti • První procesor, který obsahuje velice sofistikované techniky pro zvýšení výkonu vykonávání kódu! • Pentium = 80486 + vylepšenívnitřní architektury! • Významná vylepšení • Skalární procesor = 2 * ALU • Předpovídání skoků BTB • SMM (Systém management Mode): kontrola výkonu • L1 cache = 8kB kód + 8kB data, Write-Back • Napájení STD = 3.3V • Patice PGA + ZIF (Zero Input Force)

  50. Pentium – P5, P54C

More Related