Міністерство Освіти Російської Федерації
Воронезький Державний Технічний Університет
Природно-технічний коледж
Реферат на тему:
«Мікропроцесори і мікроЕОМ »
Виконав: студент гр. РАС-012
Казачков Сергій Сергійович
Перевірив:
Заїка Валентина Степанівна
м. Воронеж 2003р. < p> Зміст:
| Вступ | 3 |
| Розвиток мікропроцесорів | 5 |
| Переваги мікропроцесорів | 8 |
| Структурна схема, принцип роботи мікропроцесора | 9 |
| Архітектури, типи, характеристики і параметри мікропроц. | 15 |
| Мікропроцесор AMD Duron 1100 (Morgan) | |
| Сучасні технології напівпровідникового виробництва | 19 |
| Список літератури, джерела | |
| | 20 |
| | |
| | 27 |
| | |
Введення.
Характерною рисою науково-технічного прогресу, що визначає потужнийподальший підйом суспільного виробництва, є широке впровадженняелектроніки в усі галузі народного господарства.
Сучасна електронна цифрова обчислювальна техніка широкозастосовується в народному господарстві. В даний час створено чотирипокоління ЕОМ С покращує техніко-економічними показниками, щосприяє подальшому розширенню сферизастосування ЕОМ та їх ефективність.
Четверте покоління ЕОМ на основі інтегральних схем з великим ступенемінтеграції елементів (ВІС) з'явилася на початку 70-х років і істотнозмінило параметри ЕОМ усіх класів. Разом з тим виникла зовсімновий клас Вт на основі ВІС - мікропроцесорні обчислювальні машини --мікроЕОМ.
Наприкінці 70-х років у результаті інтеграції усіх електронних пристроїв
ЕОМ в одному кристалі були створені однокристальних мікроЕОМ, обчислювальнапотужність яких не поступається обчислювальної потужності середніх ЕОМ початку
70-х років.
Мікропроцесори і мікроЕОМ стали новим масовим класом ЕОМ внаслідокмалої матеріалоємності і вартості, низького енергоспоживання і високоїнадійності. Вітчизняною промисловістю щорічно виробляється кількадесятків тисяч мікроЕОМ), сотні тисяч мікропроцесорів і мікрокалькуляторівна їх основі. Розробляються операційні системи загального застосування істандартне програмне забезпечення мікроЕОМ.
Масовість цього нового класу і його високі техніко-економічніпараметри надають революціонізуюче вплив на ціле поколінняприладів, обладнання, агрегатів з вбудованими мікропроцесорнимизасобами.
Мікропроцесори і мікроЕОМ застосовують у різних галузях народногогосподарства (в управлінні технологічними процесорами, інформаційних тавимірювальних комплексах, енергетиці, медицині та ін.) На базі випускаютьсямікропроцесорів і мікроЕОМ створені високопродуктивні пристроїчислового програмного управління. Багатосерiйне виробництво ряду моделейміні-ЕОМ дозволяє розпочати роботи зі створення декількох типів проблемно -орієнтованих комплексів для автоматизації наукових досліджень татехнологічних процесів. Особливе значення мікроЕОМ набувають у зв'язку зреалізацією шкільної реформи. МікроЕОМ покладені в основу що організовуються вкожній школі навчальних класів з дисципліни "Основи інформатики таобчислювальної техніки ».
Побудова ЕОМ на основі мікропроцесорних БІС дозволяє зменшитивартість мікроЕОМ, порівнянних за своїми параметрами з раніше створеними ЕОМ,в 103 - 104 разів, габаритних розмірів - в (2-3) x104 раз, по потужностіспоживання - в 105 разів. Це означає, що без збільшення загальних витратмікроелектронна технологія дозволяє суспільству зробити в сотні ітисячі разів більше ЕОМ, ніж раніше.
Мікропроцесор - функціонально закінчений пристрій обробкиінформації, що керується зберiгається в пам'ятi. Появамікропроцесорів (МП) стало можливим завдяки розвитку інтегральноїелектроніки. Це дозволило перейти від схем малої та середнього ступеняінтеграції до великих і надвеликих інтегральних мікросхем (ВІС і НВІС).
За логічним функцій і структури МП нагадує спрощений варіантпроцесора звичайних ЕОМ. Конструктивно він являє собою одну абодекілька ВІС або НВІС.
За конструктивним ознакою МП можна розділити на однокристальних МП зфіксованою довжиною (розрядністю) слова і певною системою команд;багатокристальні (секційні) МП з нарощуваний розрядністю слова імікропрограмного управлінням (вони складаються з двох БІС і більше).
Останнім часом з'явилися однокристальних МП з мікропрограмногоуправлінням.
Архітектура багатокристальні МП з мікропрограмного управлінням дозволяєдосягти гнучкості в його застосуванні і порівняно простими засобамиорганізувати паралельне виконання окремих машинних операцій, щопідвищує продуктивність ЕОМ на таких МП.
Незважаючи на те, що можливості багатокристальні МП істотно вище, ніжу однокристальних, багато прикладні завдання успішно вирішуються на основіоднокристальної мікропроцесора.
Розвиток мікропроцесорів.
ЕОМ одержали широке поширення, починаючи з 50-х років. Першце були дуже великі і дорогі пристрої, що використовуються лише вдержавних установах і великих фірмах. Розміри і форма цифрових ЕОМневпізнанно змінилися в результаті розробки нових пристроїв, званихмікропроцесорами.
Мікропроцесор (МП) - це програмно-кероване електронне цифровепристрій, призначений для обробки цифрової інформації та управлінняпроцесом цієї обробки, виконане на одній або декількох інтегральнихсхемах з високим ступенем інтеграції електронних елементів.
У 1970 році Маршіан Едвард Хофф з фірми Intel сконструював інтегральнусхему, аналогічну за своїми функціями центральному процесору великий ЕОМ --перший мікропроцесор Intel-4004, який вже в 1971 році був випущений впродаж.
15 листопада 1971 можна вважати початком нової ери в електроніці. У цейдень компанія приступила до поставок першого в світі мікропроцесора Intel
4004.
Це був справжній прорив, бо МП Intel-4004 розміром менше 3 см бувпродуктивніше гігантської машини ENIAC. Щоправда працював він набагатоповільніше і міг обробляти одночасно тільки 4 біти інформації
(процесори великих ЕОМ обробляли 16 або 32 біта одночасно), але йкоштував перший МП в десятки тисяч разів дешевше.
Кристал був 4-розрядний процесор з класичноїархітектурою ЕОМ гарвардського типу і виготовлявся за передовою p -канального МОП технології з проектними нормами 10 мкм. Електрична схемаприладу налічувала 2300 транзисторів. МП працював на тактовій частоті 750кГц при тривалості циклу команд 10,8 мкс. Чіп i4004 мав адресний стек
(лічильник команд і три регістра стека типу LIFO), блок РОНов (регістрисверхоператівной пам'яті або регістровий файл - РФ), 4-розряднепаралельне АЛП, акумулятор, регістр команд з дешифратор команд ісхемою управління, а також схему зв'язку із зовнішніми пристроями. Всі ціфункціональні вузли об'єднувалися між собою 4-розрядної ШД. Пам'ять командсягала 4 Кбайт (для порівняння: обсяг ЗУ мініЕВМ на початку 70-х роківрідко перевищував 16 Кбайт), а РФ ЦП налічував 16 4-розрядних регістрів,які можна було використовувати і як 8 8-розрядних. Така організація
РОНов збережена і в наступних МП фірми Intel. Три регістра стеказабезпечували три рівні вкладення підпрограм. МП i4004 монтувався впластмасовий або металокерамічний корпус типу DIP (Dual In-line
Package) всього 16 з висновками. У систему його команд входило лише 46інструкцій.
Разом з тим кристал мав у своєму розпорядженні досить обмеженими засобамивведення/виводу, а в системі команд були відсутні операції логічноїобробки даних (І, АБО, виключає Або), у зв'язку з чим їх доводилосяреалізовувати за допомогою спеціальних підпрограм. Модуль i4004 не мавможливості зупинки (команди HALT) і обробки переривань.
Цикл команди процесора складався з 8 тактів задає генератора. Буламультиплексованих ША (шина адреси)/ШД (шина даних), адреса 12-розряднийпередавався по 4-розряду.
1 квітня 1972 фірма Intel розпочала поставки перший в галузі 8-розрядногоприладу i8008. Кристал виготовлявся з р-канального МОП-технології зпроектними нормами 10 мкм і містив 3500 транзисторів. Процесор працювавна частоті 500 кГц при тривалості машинного циклу 20 мкс (10 періодівзадає генератора).
На відміну від своїх попередників МП мав архітектуру ЕОМ Прінстонськоготипу, а в якості пам'яті допускав застосування комбінації ПЗУ і ОЗУ.
У порівнянні з i4004 РОН число зменшилося з 16 до 8, причому два регістривикористовувалися для зберігання адреси при непрямої адресації пам'яті
(обмеження технології - блок РОН аналогічно кристалам 4004 і 4040 в МП
8008 був реалізований у вигляді динамічної пам'яті). Майже вдвічі скоротиласятривалість машинного циклу (з 8 до 5 станів). Для синхронізації роботиз повільними пристроями був введений сигнал готовності READY.
Система команд налічувала 65 інструкцій. МП міг адресувати пам'ять об'ємом
16 Кбайт. Його продуктивність у порівнянні з чотирирозрядний МПзросла в 2,3 рази. У середньому для сполучення процесора з пам'яттю іпристроями введення/виводу було потрібно близько 20 схем середнього ступеняінтеграції.
Можливості р-канального технології для створення складнихвисокопродуктивних МП були майже вичерпані, тому "напрямокголовного удару "перенесли на n-канальну МОП технологію.
1 квітня 1974 МП Intel 8080 був представлений увазі всіх зацікавленихосіб. Завдяки використанню технології п-МОП з проектними нормами 6 мкм,на кристалі вдалося розмістити 6 тис. транзисторів. Тактова частотапроцесора була доведена до 2 Мгц, а тривалість циклу команд склалавже 2 мкс. Об'єм пам'яті, що адресується процесором, був збільшений до 64 Кбайт.
За рахунок використання 40-вивідного корпусу вдалося розділити ША і ШД, загальначисло мікросхем, потрібних для побудови системи у мінімальнійконфігурації скоротилася до 6 (рис. 1).
Рис. 1. Мікропроцесор Intel 8080.
У РФ були введені покажчик стека, активно використовується при обробціпереривань, а також два программнонедоступних регістра для внутрішніхпересилань. Блок РОНов був реалізований на мікросхемах статичної пам'яті.
Виняток акумулятора з РФ і введення його до складу АЛУ спростив схемууправління внутрішньої шиною.
Нове в архітектурі МП - використання багаторівневої системи переривань повектору. Таке технічне рішення дозволило довести загальне число джерелпереривань до 256 (до появи БІС контролерів переривань схемаформування векторів переривань вимагала застосування до 10 додатковихчіпів середньої інтеграції). У i8080 з'явився механізм прямого доступу впам'ять (ПДП) (як раніше в універсальних ЕОМ IBM System 360 та ін.)
ПДП відкрив зелену вулицю для застосування в мікроЕОМ таких складних пристроїв,як накопичувачі на магнітних дисках і стрічках дисплеї на ЕПТ, які іперетворили мікроЕОМ на повноцінну обчислювальну систему.
Традицією компанії, починаючи з першого кристала, став випуск не окремогочіпа ЦП, а сімейства ВІС, розрахованих на спільне використання.
Переваги мікропроцесорів.
Мікропроцесор, інакше, центральний процесор - Central Processing
Unit (CPU) - функціонально закінчену програмно-керований пристрійобробки інформації, виконане у вигляді однієї або декількох великих (ВІС)або надвеликих (НВІС) інтегральних схем.
Для МП на БІС або НВІС характерні:
. простота виробництва (за єдиною технологією);
. низька вартість (при массовомпроізводстве);
. малі габарити (пластина площею кілька квадратних сантиметрів або кубик із стороною кілька міліметрів);
. висока надійність;
. мале споживання енергії.
Мікропроцесор виконує такі функції:
. читання і дешифрування команд з основної пам яти;
. читання даних з ОП та регістрів адаптерів зовнішніх пристроїв;
. прийом та обробку запитів і команд від адаптерів на обслуговування ВУ;
. обробку даних і їх запис у ВП та регістри адаптерів ВУ;
. вироблення керуючих сигналів для всіх інших вузлів і блоків ПК.
Принцип роботи мікропроцесора.
До складу МП (рис. 1) входять арифметичне-логічний пристрій,пристрій управління і блок внутрішніх регістрів.
Арифметичне-логічний пристрій складається з двійкового суматора зсхемами прискореного перенесення, зрушуваної регістри і регістрів длятимчасового зберігання операндів. Зазвичай цей пристрій виконує по командахдекілька простих операцій: додавання, віднімання, зсув, пересилання,логічне додавання (АБО), логічне множення (І), додавання по модулю 2.
Пристрій управління керує роботою АЛУ і внутрішніх регістрів впроцесі виконання команди. Відповідно до коду операцій, що міститься вкоманді, воно формує внутрішні сигнали керування блоками МП. Адресначастина команди спільно з сигналами управління використовується для зчитуванняданих з певної комірки пам'яті або для запису даних у клітинку. Засигналами УУ здійснюється вибірка кожної нової, чергової команди.
Блок внутрішніх регістрів БПР, що розширює можливості АЛП, служитьвнутрішньою пам'яттю МП і використовується для тимчасового зберігання даних ікоманд. Він також виконує деякі процедури обробки інформації.
На малюнку (2) наведена більш докладна структурна схема однокристальної
МП. Тут блок внутрішніх регістрів містить регістри загального призначення іспеціальні регістри: регістр-акумулятор, буферний регістр адреси,буферний регістр даних, лічильник команд, стека, ознак.
Регістри загального призначення (РОН), число яких може змінюватися від 4 до 64,визначають обчислювальні можливості МП. Їх функція - зберігання операндів.
Але можуть виконувати також і роль регістрів. Всі РОН доступні програмісту,який розглядає їх як сверхоператівное запам'ятовуючий пристрій.
Регістр - акумулятор ( «накопичувач»), призначений для тимчасового зберіганняоперанда або проміжного результату дій виробленої в АЛП.
Розрядність регістра дорівнює розрядності інформаційного слова.
Буферний регістр адреси служить для прийому та зберігання адресної частинивиконуваної команди. Можлива кількість адрес, визначаєтьсярозрядністю регістра.
Буферний регістр даних використовується для тимчасового зберігання вибраного зпам'яті слова перед передачею його в зовнішню шину даних. Його розрядністьвизначається кількістю байт інформаційного слова.
Лічильник команд містить адресу комірки пам'яті, в якій поміщені байтивиконуваної команди.
Регістр команд приймає і зберігає код чергової команди, адреса якоїзнаходиться в лічильнику команд. По сигналу УУ в нього передається з регістратам зберігається інформація.
Регістри стека діляться на стек і покажчик стека. У МП стек - набіррегістрів, що зберігають адреси команд повернення при зверненні до підпрограмабо стан внутрішніх регістрів при обробці переривань. Стек можебути виконаний не тільки на внутрішніх регістрах МП, складаючи його частину, алеі перебувати в ОЗУ, займаючи там відведену для нього зону. В останньомувипадку для звернення до нього необхідний спеціальний регістр - покажчикстека.
Покажчик стека зберігає адреси останньої використаної клітинки стека, якуназивають вершиною. Що містить в покажчику число вказує, де знаходитьсявершина стека. Коли в стек записується чергове слово, то число впокажчику стека відповідно збільшується. Витяг слова з стекасупроводжується, навпаки, зменшенням числа, що заповнює покажчик стека.
Крім такої процедури передбачається можливість зчитування безруйнувань вмісту будь-якої комірки стека при незмінному числі, що зберігається впокажчику стека.
Регістр ознак являє собою набір тригерів - прапорців. Узалежно від результатів операцій, що виконуються АЛП, кожен тригервстановлюється в стан 0 або 1. Прапорцевим біти, що визначаютьвміст регістру, показує умовні ознаки: нульового результату,знака результату, перевиконання і т. п. Ця інформація, що характеризуєстан процесора, важлива для вибору подальшого шляху обчислень.
Розглянемо більш детально основні частини мікропроцесора (рис. 2).
Внутрішня шина даних з'єднує собою основні частини МП.
Шиною називають групу ліній передачі інформації, об'єднаних спільнимфункціональною ознакою. У мікропроцесорної схемі використовується три видишин: даних, адрес і управління.
Розрядність внутрішньої шини даних тобто кількість переданих по нійодночасно (паралельно) бітів числа відповідає розрядності слів,якими оперує МП. Очевидно, що розрядність внутрішньої та зовнішньої шинданих повинна бути однією і те?? ж. У восьмирозрядного МП внутрішня шинаданих складається з восьми ліній, по яким можна передавати послідовновосьмирозрядних слова - байти. Слід мати на увазі, що по шині данихпередаються на тільки у процесі "АЛУ слова, але і командна інформація.
Отже, недостатньо висока розрядність шини даних можеобмежити склад (складність) команд і їх кількість. Тому розрядність шиниданих відносять до важливих характеристик мікропроцесора - вона в більшіймірою визначає його структуру (числа розрядів вказані на малюнку в дужкахпоруч з назвами блоків).
Шина даних МП працює в режимі двобічної передачі, тобто по нійможна передавати слова в обох напрямках, але не одночасно. У цьомувипадку потрібно застосування спеціальних буферних схем і мультиплексногорежиму обміну даних між МП і зовнішньою пам'яттю. Мультиплексний режим (віданглійського слова multiple - багаторазовий, множинний), інодізваний багатоточковим, - режим одночасного використання каналупередачі великим числом абонентів з поділом у часі засобівуправління обміном.
Мультиплексор - пристрій, який вибирає дані від одного, двох (абобільше) вхідних інформаційних каналів і подає ці дані на свій вихід.
Схема мультиплексора складається з двухвходових логічних елементів І - АБО,керованих розподільником імпульсів. Промисловістю випускаютьсямультиплексори, які можуть входити до складу, а також у вигляді окремих
БІС (наприклад, восьмівходовий однорозрядних; двухвходовий чотирирозрядний;трехвходовий чотирирозрядний та ін.)
Демультиплексор - пристрій, що виконує протилежну мультиплексоруфункцію, - подає дані, що підводиться до його входу, на один (або більше)вихідний інформаційний канал.
Мультиплексори і демультіплексори дозволяють компонувати змікропроцесорних елементів мікроЕОМ для будь-якої довжини машинного слова.
Припустимо, що завдання обробки даних полягає у складанні двохоперандів, кожен з яких представляє собою восьмирозрядному двійковечисло - байт.
Восьмирозрядному арифметично - логічний пристрій виконує всіарифметичні та логічні операції. На перший вхід АЛП надходить байт звосьмирозрядного акумулятора, а на другий вхід - з восьмирозрядногопроміжного регістра. Результат складання зазначених двох байтівпередається з виходу АЛП через внутрішню шину даних в акумулятор. Такаорганізація задовольняє одноадресних організації мікропроцесора. Для неїхарактерно те, що один з операндів, що беруть участь в обробці, завждизнаходиться в акумуляторі, адреса якого задано неявно. Тому привиконання операції додавання двох операндів потрібно вказувати тільки одинадреса - другий операнда, що міститься, наприклад в одному з восьмирегістрів загального призначення (РОН). До АЛУ підключені регістр ознак,призначений для зберігання та аналізу ознак результату операції, ісхема десяткової корекції (на рис. 2 не показана), що дозволяє проводитиобробку даних у двійковій-десятковому коді.
До складу мікропроцесора входять також покажчик стек, лічильник команд,буферний регістр адреси, ОЗУ. Перші два РОН - регістри W і Z --призначені для короткочасного зберігання даних під час виконаннякоманди (ці регістри недоступні програмісту), інші шість РОН --регістри B, C, D, E, H і L - cлужат осередками внутрішньої пам'яті, званоїсверхоператівним запам'ятовуючим пристроєм (СОЗУ). У них зберігаються операнди,підлягають обробки в АЛП, результати обробки даних, виконаних в АЛП,та керуючі слова. У кожному регістрі поміщається один байт. Звернення до
РОН - адресне. Попарно розташування регістрів B і C, D і E, H і L даєможливість проводити обробку багатобайтових слів, звану обробкою
"Подвоєною точності". Обмін даними з РОН (зчитування та запис інформації)здійснюється через мультиплексор, причому потрібний регістр вибирається здопомогою селектора регістрів по сигналу УУ.
У лівій частині рис. 2 розташовані регістр команд, дешифратор коду операції та
УУ (хоча дешифратор відноситься до УУ, він намальований окремо для більшоїнаочності). Стекові регістр адреси на малюнку відсутній, так як стекявляє собою певну зону ОЗУ.
Обмін інформацією між регістрами та іншими блоками мікропроцесорапроводиться через внутрішню шину даних, причому передачі команд і данихрозділені в часі. Зв'язок із зовнішньою шиною даних здійснюється черезбуферний регістр даних.
Мікропроцесор - це програмно-керований пристрій. Процедуравиконуваної ним обробки даних визначається програмою, тобтосукупністю команд. Команда ділиться на дві частини: код операції та адресу. Укоді операції поміщена інформація про те, яка операція повинна бутивиконана над даними, що підлягають обробці. Адреса вказує місце, дерозташовані ці дані (в регістрах загального призначення мікропроцесора, т.тобто у внутрішній або зовнішній пам'яті). Слово даних, що піддаються обробці,представляє один байт. Команда може складатися з одного, двох або трьохбайтів, послідовно розташованих у пам'яті.
Перший байт команди містить код операції. Лічені на початку інтервалувиконання команди, що називається циклом команди, її перший байт надходить повнутрішньої шини даних в регістр команд, де зберігається протягом усьогоциклу. Дешифратор кода операції дешифрує вміст регістра команд --визначає характер операції й адреси операндів. Ця інформація подається в
УУ, яке виробляє керуючі сигнали, що направляються в блокимікропроцесора, що беруть участь у виконанні цієї команди.
У тому випадку, коли код операції безпосередньо вказує адресу даних --об'єкта обробки, операція починається відразу після зчитування першого байтакоманди. Якщо ж у команді міститься більше одного байта, то іншібайти, що несуть інформацію про адресу комірки пам'яті, де зберігаються дані,передаються або в буферний регістр адреси, або в один із РОН тільки післязавершення всієї процедури зчитування команди або, інакше кажучи, післяотримання повної інформації про місцезнаходження операндів і про те, якаоперація повинна виконуватися, починається операція.
Розглянемо приклад виконання операції додавання двох операндів. Першийоперанд зберігається в акумуляторі, другий в одному з РОН (його адреса вказана вкоманді), звідки він передається в проміжний регістр. Згідно з кодомоперації АЛУ підсумовує що надходять на його вхід байти і видає результат,який фіксується в акумуляторі. Цей результат можна використовувати приподальших етапах обробки.
Поряд з багатокристальні і однокристальними МП використовуютьсясекціонірованние або розрядно-модульні МП. Основною їхньою відмінноюособливістю є те, що кожен модуль призначений для обробкидекількох розрядів машинного слова, а слово в цілому обробляється групоюмодулів або секцій, з'єднаних між собою.
Архітектура мікропроцесора (Architecture) - принцип його внутрішньоїорганізації, загальна структура, конкретна логічна структура окремихпристроїв.
Поняття архітектури мікропроцесора включає в себе систему команд іспособи адресації, можливість суміщення виконання команд у часі,наявність додаткових пристроїв у складі мікропроцесора, принципи ірежими його роботи. Виділяють поняття мікроархітектури і макроархітектури.
Мікроархітектура мікропроцесора - це апаратна організація ілогічна структура мікропроцесора, регістри, керуючі схеми,арифметико-логічні пристрої, що запам'ятовують пристрої та що зв'язують їхінформаційні магістралі.
Макроархітектура мікропроцесора - це система команд, типиоброблюваних даних, режими адресації і принципи роботи мікропроцесора.
У загальному випадку під архітектурою ЕОМ розуміється абстрактнеподання машини в термінах основних функціональних модулів, мови ЕОМ,структури даних.
1. У відповідності з архітектурними особливостями, що визначають властивостісистеми команд, розрізняють:
. Мікропроцесори з CISC архітектурою.
CISC (Complex Instruction Set Computer) - Комп'ютер зі складною системою команд. Історично вони перші і включають велику кількість команд. Всі мікропроцесори корпорацій Intel (Integrated Electronics) і AMD (Advanced
Micro Devices) відносяться до категорії CISC.
. Мікропроцесори з RISC архітектурою.
RISC (Reduced Instruction Set Computer) - Комп'ютер з скороченою системою команд. Спрощена система команд і скорочена до такого ступеня, що кожна інструкція виконується за єдиний такт. Внаслідок цього спростилася структура мікропроцесора і збільшилася його швидкодію.
Приклад мікропроцесора з RISC-аpхітектуpой - Power PC. Мікропроцесор Power
PC почав розроблятися в 1981 році трьома фірмами: IBM, Motorola, Apple.
. Мікропроцесори з MISC архітектурою.
MISC (Minimum Instruction Set Computer) - Комп'ютер з мінімальною системою команд. Послідовність простих інструкцій об'єднується в пакет, таким чином, програма перетворюється на невелику кількість довгих команд.
2. Розрядність - максимальна кількість розрядів двійкового коду, якіможуть оброблятися або передаватися одночасно.
Сучасні мікропроцесори побудовані на 32-х бітної архітектури x86 або
IA-32 (Intel Architecture 32 bit), але зовсім скоро відбудеться перехід набільш досконалу, продуктивну 64-х бітну архітектуру IA-64 (Intel
Architecture 64 bit). Фактично перехід вже розпочався, цьому свідчитьмасовий випуск і вихід в продаж в 2003 році нового мікропроцесора Athlon
64 корпорації AMD (Advanced Micro Devices), цей мікропроцесорпримітний тим, що може працювати як з 32-х бітними додатками, так із 64-х бітними. Продуктивність 64-х бітних мікропроцесорів набагатовище.
Розрядність мікропроцесора позначається m/n/k/і включає: m - розрядність внутрішніх регістрів, визначає приналежність до того чиіншого класу процесорів; n - розрядність шини даних, визначає швидкість передачі інформації; k - розрядність шини адреси, визначає розмір адресного простору.
(Наприклад, мікропроцесор i8088 характеризується значеннями m/n/k = 16/8/20)
3. Обсяг адресується пам'яті - максимальний об'єм пам'яті, який можеобслужити мікропроцесор.
32-х розрядний мікропроцесор може обслужити 64 Гб (4х109 байт) пам'яті,а 64-х розрядний мікропроцесор може обслужити 64 Тб (64х1012 байт)пам'яті.
4. Набір додаткових інструкцій (Instruction Set) - застосовуються всучасних CISC-мікропроцесори і здатні значно прискорити їхроботу. Природно тільки за умови підтримки цих наборів з бокудодатки. Всі традиційні сучасні процесори підтримують набірінструкцій MMX, що був перший (розроблений корпорацією Intel щев 1997 році). MMX розшифровується як MultiMedia eXtensions
(мультимедійні розширення). Він представив додаткові можливості,орієнтовані на обробку цифрового зображення і звуку. В основітехнології лежить концепція (мікроархітектура) SIMD (Single Instruction Many
Data - "одна команда, багато даних"), коли за допомогою однієї інструкціїодночасно обробляється кілька елементів даних. SSE, SSE2, 3DNow! --подальший розвиток цієї ідеї. Мікропроцесори Intel Pentium 3 підтримують
SSE, а Pentium 4 і AMD Athlon 64 ще й SSE2 (це стосується івідповідним мікропроцесорах Intel Celeron). Процесори AMD Athlon і
Duron підтримують набори інструкцій 3DNow! Professional і MMX, в Athlon XPбула додана підтримка SSE (на рівні мікрокоду ядра).
Технологічний процес виробництва (Process Technology) --техпроцес визначає розміри елементів і з'єднань між ними вінтегральної схемою. Вимірюється в мікрометрах (0,35? M; 0,25? M; ...). Чимменше число, тим менше сам кристал, отже, менше споживанапотужність і тепловиділення. Але ж тепловиділення сильно перешкоджаєзбільшення частоти, на якій працює мікропроцесор. Десь у 1997 роцівідбувся перехід з 0,25? m на 0,18? m технологію виробництва. А вже в
2001 відбувся перехід на 0,13? M технологію, що дозволило набагатозбільшити частоту. Ось-ось відбудеться перехід на 0,09? M.
Продуктивність мікропроцесора визначається параметрами:
1. Тактова частота (Частота ядра) (Internal clock) - це кількістьелектричних імпульсів в секунду. Кожен імпульс несе в собі якусьінформацію - це можуть бути команди процесора або дані пам'яті. Тактовачастота задається кварцовим генератором - одним із блоків, розташованих наматеринській платі. Тактова частота кварцового генератора витримується здуже високою точністю і лежить в мега або гігагерцовий діапазоні. Одингерц - один імпульс, один мегагерц - один мільйон імпульсів, один гігагерц
- Тисячі мегагерц. Мікропроцесор, що працює на тактовій частоті 800 МГц,виконує 800 мільйонів робочих тактів за секунду. Залежно відскладності оброблюваної команди процесора для виконання завданнянеобхідні сотні і тисячі тактів. Але для виконання простих операцій буваєдосить одного такту. Чим вище тактова частота ядра, тим вище швидкістьобробки даних. Сучасні мікропроцесори працюють на частотах від 300
МГц до 4,7 ГГц.
2. Частота системної шини (System clock або Front Side Bus) - системнашина служить для зв'язку мікропроцесора з іншими пристроями.
Мікропроцесор має дві частоти: тактова частота ядра і частота системноїшини. Чим вище частота системної шини, тим вище швидкість передачі данихміж мікропроцесором і іншими пристроями. Частота системної шинисучасних мікропроцесорів від 66 МГц до 266МГц.
3. Обсяг Кеш-пам'яті (Cache) - Кеш-пам'ять швидка пам'ять малої місткості,яка використовується процесором для прискорення операцій, що вимагають звернення допам'яті. Кеш - проміжну ланку між мікропроцесором і опретівнойпам'яттю. Розрізняють декілька рівнів кеша: кеш першого рівня (L1) - кешкоманд (інструкцій) які належить виконати, кеш першого рівнярозміщується на одному кристалі з процесором. Кеш другого рівня (L2) - кешданих - використовується для прискорення операцій з даними (в першу чергучитання). На загальну продуктивність впливає розмір кеша L2. Чим більше L2,тим дорожче процесор, тому що память для кеша ще дуже дорога. Томуефективніше збільшувати частоту кеша, а для цього він повинен знаходитися якякомога ближче до ядра процесора. Кеш-пам'ять може працювати на частоті 1/4,
1/3, 1/2, 1/1 від частоти ядра. Сучасні мікропроцесори мають кешоб'ємом від 8 Кб до 5Мб.
Гранично експлуатаційні параметри мікропроцесорів:
1. Напруга живлення мікропроцесора - величина напруги живленнямікропроцесорів залежить від технологічного процесу і від частоти ядра.
Чим менше кристал і нижче частота, тим менше напруга живлення.
Напруга живлення сучасних мікропроцесорів від 0,5 В до 3,5 В, частішеНайбільше від 1,2 В до 1,75 В.
2. Ток ядра - у сучасних мікропроцесорів струм, що протікає через ядровід 1 А до 90 А.
3. Споживана потужність - залежить від величини напруги живлення і відчастоти ядра. Чим менше напругу живлення і частота, тим меншеспоживана потужність. Потужність сучасних мікропроцесорів від 1Вт до 120
Вт Найчастіше в межах 40-70 Вт
4. Максимальна температура нагріву кристала - максимальна температуракристала, при якій можлива стабільна робота мікропроцесора. Усучасних мікропроцесорів вона коливається в межах від 60 С до 95 ° С.
Фізичні параметри мікропроцессорв (Форм-фактор):
1. Тип, розміри корпусу
2. Розміри кристала
3. Кількість висновків
4. Форма розташування висновків
Мікропроцесор AMD Duron 1100 (Morgan)
| | |
| Вид зверху. | Вид знизу. |
Технологія виробництва: 0,18? m
Кількість висновків: 462
Площа ядра: 106 мм2
Кількість транзисторів: 25,2 млн
Сучасні технології напівпровідникового виробництва.
В останні роки до стадії можливості використання в комерційномувиробництві підійшов цілий ряд технологій, що дозволяють помітно збільшитишвидкість роботи транзисторів, або стільки ж помітно зменшити розмір чіпабез переходу на тонший технологічний процес. Деякі з цихтехнологій вже почали застосовуватися протягом останніх місяців, їх назвизгадуються в новинах, що відносяться до комп'ютерів, все частіше. Ця стаття --спроба зробити короткий огляд подібних технологій, спробувавши заглянути всамий найближчий можливе майбутнє чіпів, що знаходяться в наших комп'ютерах.
Перша інтегральна схема, де з'єднання між транзисторами зроблені прямона підкладці, була зроблена більше 40 років тому. За цей час технологія їхвиробництва зазнала ряд великих і малих поліпшень, пройшовши від першогосхеми Джека Кілбі до сьогоднішніх центральних процесорів, що складаються здесятків мільйонів транзакцій?? стор, хоча для серверних процесорів вже настав часговорити про сотні мільйонів.
Тут піде мова про деякі останніх технологіях у цій галузі, таких,як мідні провідники в чіпах, SiGe, SOI, перовскіту. Але спочатку необхіднов загальних рисах торкнутися традиційний процес виробництва чіпів зкремнієвих пластин. Немає необхідності описувати процес перетворення піску впластини, оскільки всі ці технології не мають до таких базових кроківніякого відношення, тому почнемо з того, що ми вже маємо кремнієвупластину, діаметр якої на більшості сьогоднішніх фабрик, які використовуютьсучасні технології, становить 20 см. Найближчим кроком на її перетвореннів чіпи стає процес окислення її поверхні, покриття її плівкоюокислів - SiO2, що є прекрасним ізолятором і захистом поверхніпластини при літографії.
Далі на пластину наноситься ще один захисний шар, на цей раз --світлочутливий, і відбувається один з ключових операцій - видалення ввизначених місцях непотрібних ділянок його і плівки оксидів з поверхніпластини, до оголення чистого кремнію, за допомогою фотолітографії.
На першому етапі пластину з нанесеною на її поверхню плівкоюсвітлочутливого шару поміщають в установку експонування, яка засуті працює як фотозбільшувач. Як негативу тут використовуєтьсяпрецизійна маска - квадратна пластина кварцового скла покрита плівкоюхрому там, де потрібно. Хромовані і відкриті ділянки утворюютьзображення одного шару одного чіпа в масштабі 1:5. За спеціальними знаками,заздалегідь сформованим на поверхні пластини, установка автоматичновирівнює пластину, налаштовує фокус і засвічує світлочутливийшар через маску і систему лінз із зменшенням так, що на пластинівиходить зображення кристала в масштабі 1:1. Потім пластина зсувається,експонується наступний кристал і так далі, поки не розпізнає всі чіпина пластині. Сама маска теж формується фотохімічним способом, тількизасвічування світлочутливого шару при формуванні маски відбувається запрограмі електронним променем приблизно також, як у телевізійному кінескопа.
У результаті засвічування хімічний склад тих діляноксвітлочутливого шару, які потрапили під прозорі області фотомаски,змінюється. Що дає можливість видалити їх за допомогою відповідниххімікатів або інших методів, на зразок плазми або рентгенівських променів.
Після чого аналогічної процедури (вже з використанням інших речовин,зрозуміло) піддається і шар оксидів на поверхні пластини. І знову,знову ж таки, вже новими хімікатами, знімається світлочутливий шар:
Потім накладається наступна маска, вже з іншим шаблоном, потім ще один,ще, і ще ... Саме цей етап виробництва чіпа є критичним вплані помилок: будь-яка порошинка чи мікроскопічний зрушення в бік принакладення черговий маски, і чіп вже може йти на смітник. Післятого, як сформована структура чіпа, настав час для зміни атомноїстр
