Procesor

Co je procesor ?

CPU je stroj, který může vykonat počítačový program.

Základní pojmy:• Instrukce• Program• Proces• Stav procesu

Procesor jako součástka

Fyzické části procesoru

• Wafer (o průměru 200 mm a 300 mm )

• Ukázka tranzistorů procesoru

Úloha procesoru

Neumannovo blokové schéma Neumannovo blokové schéma počítačepočítače ::

Logika procesoru

• Strojový jazyk • Instrukční pole• Instrukční sady• Základní architektury procesorů• Doplňkové instrukční sady

Strojový kód (jazyk)

Příklad instrukce assembleru:

mov al, 61hKterá se přeloží na strojový kód:

10110000 01100001

Instrukce procesoru

Instrukční pole se skládá:příklad instrukce mov al, 61h

• Operační kód (operační znak) sčítání, odečítání, skok, přesun atp - mov

• OperandyTo, s čím se bude pracovat - al, 61h

• Šířka instrukčního poleVelikost instrukce v bitech

Instrukční sada

je množina instrukcí, kterou je procesor vybavenUkázka: Instruční sada procesoru Motorola 680 rozdělena do následujících kategorií

• Načítání a podržení (Move.B, Move.W, Move.L) • Aritmetické (Add, Sub, Mul, Div) • Bitové operátory (pravé nebo levé, logické nebo aritmetické) • Rotace bitů (ROR, ROL, ROXL, ROXR) • Logické operace (And, Or, Not, EOr) • Typová konverze • Podmíněné a nepodmíněné skoky (Bra, BCS, BEq, BNE, BHI, BLO, BMI, BPL, etc.) • Funkce vyvolání a navracení (BSR, RTS) • Management zásobníků (push, pop) • Práce s přerušením • Zpracování výjimek

Kompatibilita strojového kódu

Základní architektura procesorů

Základní dělení :• architektury RISC a CISC

Complex Instruction Set Computer (CISC)Reduced Instruction Set Computer (RISC)

RISC• redukovaná sada instrukcí obsahuje hlavně

jednoduché instrukce,• délka provádění jedné instrukce je vždy jeden cyklus

(tj. délka v bitech všech instrukcí je stejná),• mikroinstrukce jsou hardwarově implementovány na

procesoru, čímž je velmi výrazně zvýšena rychlost jejich provádění,

• registry jsou pouze víceúčelové (nezáleží, který z nich instrukce využije, což zjednodušuje návrh překladačů),

• využívají řetězení instrukcí (pipelining).

Pipelining = zřetězené zpracování, či překrývání instrukcí.

• Fáze zpracování instrukce je rozdělena na 2 a více useků.

=> vytvoření procesoru složeného ze dvou spolupracujících subprocesorů (skalární architektura), kdy každá část realizuje danou fázi zpracování.

• možno dokončit více, než 1 instrukci za 1 hodinový cyklusZa jakýsi standard je považována pipeline s pěti stupni :• Instruction fetch - vyzvednutí instrukce• Decode - dekódování instrukce, zároveň se načítají registry• Execute - provedení instrukce• Access - čtení z paměti• Writeback - zápis výsledku do registrůKromě toho jsou procesory superskalární,které dokážou v jednom stupni pipeline

zpracovávat paralelně více instrukcí.

CISC

• velká sadou procesorových instrukcí (řádově stovky) • malým počtem registrů (jejich počet obvykle nepřesahuje 30) • instrukce trvají různý počet taktů

CISC / RISC

Příklad vykonání stejné operace :

„Nové“ architektury

Další architektury

• post-RISC • EPICExplicitly Parallel Instruction Computing

Instrukční sady a technologie

• MMX (MultiMedia eXtensions )• 3DNow!• SSE,SSE2,SSE3• AMD64• EMT64

…

Součásti procesoru

• řadič • sada registrů (v řadiči) k uchování operandů a

mezivýsledků • jedna nebo více aritmeticko logických

jednotek • některé procesory obsahují jednu nebo

několik jednotek plovoucí čárky (FPU-koprocesor)

Dělení procesorů

• Podle uplatnění • Dělení podle délky operandu v bitech• Dělení podle počtu jader • Podle patic

Podle uplatnění

• MCU (Micro Controller Unit) • CPU (Central Processor Unit) • DSP (Digital Signal Processor)

Dělení podle délky operandu v bitech

Architektury procesorů:• x86 (16bitovou, registrovou, s CISCovou instrukční sadou)

• IA-32 (Intel Architecture, 32-bit) • IA-64 (Intel Architecture, 64-bit)

• AMD64 (dříve x86-64) je 64bitová architektura procesoru od firmy AMD

Ukázka registrů x86• aritmetické

– AX - akumulátor (řada instrukcí ho má jako implicitní operand)– BX - bázový registr (tj. určený pro adresaci)– CX - čítač (tj. určený pro počítání cyklů)– DX - rozšíření akumulátoru– SI - source index - index pro zdroj (tj. pro čtení)– DI - destination index - index pro cíl (tj. pro zápis)– BP - base pointer - určen jako ukazatel na záznam aktivní procedury na zásobníku (tím,

že se implicitně spojoval s SS)– SP - stack pointer - ukazatel vrcholu zásobníku

• segmentové – CS - segment kódu– DS - datový segment– ES - extra segment– SS - zásobníkový (stack) segment

• registr IP (instrukční pointer neboli čítač instrukcí), vždy odkazovaný implicitně• registr FLAGS (příznaky)

Patice ProcesoruDělení podle patic• Socket 462 (Socket A, AMD Athlon, Duron, výběhový)• Socket 478 (Intel Pentium III, Pentium 4 (Northwood), Celeron

Pentium 4, výběhový)• Socket 479 (Intel, původně pro mobily, výběhový)• Socket 604 (Intel pro servery, výběhový)• Socket 754 (AMD, výběhový)• Socket 771 (Intel pro servery)• Socket 775 (Intel)• Socket 939 (AMD, výběhový)• Socket 940 (AMD pro servery, výběhový)• Socket AM2 (AMD)• Socket F (AMD pro servery)

Základní parametry procesorů

Pojmy:• Core clock (externí takt procesoru – generátor taktu )

• Násobič(multiplier) procesoru

Parametry: takt procesoru

Ext.takt + multiplier = výsledný takt

Základní parametry procesorů

Velikost hardwarové paměti cache :

Level :Cache L1 (zásobování procesoru daty, které přichází po

sběrnici)

Cache L2 (zrychlení komunikace mezi procesorem a pamětí )

Cache L3 (využívána prosnížení latence samotných )

Další uváděné parametry

• frekvence sběrnice FSB nebo HTFSB(externí takt) x násobič HT = frekvence HT

• napětí a TDP procesoruTDP (Thermal Design Power )označuje maximální

možný příkon (spotřebu), kterého mohou čipy dosáhnout při maximálním vytížení.

Identifikace procesoru

Zjištění informací a různých nastavení procesoru lze provést dvěma způsoby.1) softwarově pomocí CPUID instrukce například programy CPU-Z nebo Everest. 2) "mechanicky" - resp. pohledem na samotný procesor a jeho identifikační znaky.

CPU-Z

Štítek procesoru - AMD

Pro socket ASocket AM2

Oficiálních materiály AMD

Štítek procesoru - INTEL

identifikace procesorů společnosti Intel není za pomoci P/N, ale za pomoci kódu sSpec Number

Sběrnice procesoru

Dělení:

• Datová• Adresová • Řídící

Významné architektury procesorůshrnutí

Architektury mikropočítačů a osobních počítačů• Intel: x86• AMD: x86-64• Motorola: 6800, 6809 a 68000• MOS Technology 6502• Zilog Z80• IBM a později AIM alliance: PowerPCArchitektury mikročipů• PowerPC 440 firmy IBM• 8051• Atmel AVR• PIC firmy Microchip• ARM

Významné architektury procesorůshrnutí

Architektury procesorů pracovních stanic a serverů• SPARC firmy Sun Microsystems• POWER firmy IBM• Architektura MIPS od MIPS Computer Systems Inc. a její instrukční sada je nosnou částí knihy

Davida A. Pattersona a Johna L. Hennessyho Computer Organization and Design ISBN 1-55860-428-6 1998 (2. vydání)

• PA-RISC od HP• Alpha od DEC• Advanced RISC Machines (původně Acorn) architektury ARM a StrongARM/XScale• Procesor LEON2Malé/střední/velké architektury procesorů• System/360 od IBM• PDP-11 od DEC a jeho následníci, architektura VAX• SuperH od SuperH• UNIVAC série 1100/2200 (momentálně používaná v počítačích ClearPath IX od Unisysu)• AP-101 – počítač raketoplánuNadcházející architektury procesorů• Cell od IBM (Sony/IBM/Toshiba)

Historicky významné procesory

• EDSAC – první praktický počítač s uloženým programem

• Navigační počítač Apollo použitý při letech na měsíc

• MIPS R4000 – první 64-bitový mikroprocesor• Intel 4004 – první mikroprocesor

Zdroje

http://cs.wikipedia.org/wiki/CPU

http://en.wikipedia.org/wiki/Central_processing_unit

http://www.svethardware.cz/art_doc-67186A42FE81D194C12571DF0040BFB6.html

Scripta Teorie počítačů