Microcalculatoarele si Microprocesoarele - o privire asupra tehnologiei

PROIECT INFORMATICA

Microcalculatoarele si Microprocesoarele

o privire asupra tehnologiei

Inventarea microprocesorului in 1971 de catre Ted Hoff in laboratoarele Fairchild a avut o importanta mult mai mare decit s-a prevazut initial, caci dincolo de aplicatiile imediate, de control, el a facut posibila aparitia microcalculatorului, un dispozitiv electronic folosit pentru prelucrarea informatiei cu ajutorul unor semnale electrice produse de circuite plasate pe o pastila de siliciu.

Complexitatea microprocesorului a crescut de la citeva circuite pina la circuitul integrat pe scara foarte larga (VLSI) de astazi, care aduna peste 100.000 de circuite pe aceeasi pastila. Microcalculatoarele moderne contin mai multe subsisteme conectate intre ele si circuite de suport VLSI.Microprocesorul este, dupa cum am amintit, cea mai importanta componenta a sistemului. El prelucreaza aproape toate informatiile din interiorul unui microcalculator, citeste instructiuni si date din memorie, executa prelucrari asupra lor, le trimite sau le primeste catre / dinspre periferice prin instructiuni de intrare iesire. Cunoscut si sub numele de unitate centrala, microprocesorul este un circuit integrat digital care prelucreaza informatia in mod secvential.Toate microcalculatoarele de tip IBM si compatibilele IBM contin microprocesoare INTEL din familia 8086/8088,80286,80386SX, 80486. Microprocesoarele MOTOROLA 68000, 68020, 68030 stau la baza microcalculatoarelor APPLE Macintosh si a statiilor de lucru din prima linie.

Microprocesoarele se claseaza dupa numarul de biti din cimpul de adrese si largimea cuvantului. Modul in care datele sint manevrate in interiorul microprocesorului depind de organizarea interna, de arhitectura cailor de date si de adrese. Viteza de prelucrare a microprocesorului este in mod direct legata de arhitectura acestuia si de calitatile tehnologice ale circuitelor componente.Dimensiunea cimpului de adrese determina marimea spatiului fizic de memorie care poate fi adresat de microprocesor.De exemplu, un microprocesor pe 8 biti are un cimp de adrese cu largimea de 16 biti. Microprocesorul dispune de un cimp de adrese de latime de 20 de biti. Ca atare acesta poate accesa 2²⁰ locatii, adica pina la l milion de locatii de memorie. Magistrala de adrese de 24 de biti a lui 80286 permite adresarea a 16.000.000 de locatii; cea de 32 de biti a lui 80386 adreseaza un spatiu liniar de memorie de 4 miliarde de octeti. Largimea cailor de date influenteaza in mod direct performantele de viteza ale microprocesorului. Dimensiunea mai mare a cailor de date inseamna prelucrarea si manipularea unei cantitati mai mari de informatie pe unitatea de timp. Largimea bus-ului de date determina si rata de transfer din si catre unitatea centrala in lucrul cu perifericele. Un bus de date mai larg inseamna transferuri mai eficiente, deci o performanta de viteza mare. Spre exemplu, microprocesoarele 8086 si 8088 sant functional identice. Difera insa sub raportul largimii busului de date pentru operatiile de intrare / iesire. 8086 dispune de 16 biti de date pentru lucrul cu intrarea / iesirea, in timp ce 8088, de numai 8 biti. Ca o consecinta, 8086 este cu 20% mai rapid decit 8088.

Frecventa ceasului de baza este parametrul cel mai intim legat de tehnologia de realizare a microprocesorului. Viteza microprocesorului depinde in mod invers proportional de perioada de timp in care microprocesorul executa o operatie elementara. Cu cit aceasta este mai mica, cu atit numarul de operatii elementare executate intr-o unitate de timp,este mai mare. Cum instructiunile microprocesorului sint constituite din succesiunea unor operatii elementare, rezulta de aici implicatia directa asupra vitezei de lucru a microprocesorului.

Dupa cum am mai spus, cresterea vitezei este limitata de caracteristicile tehnologice ale realizarii microprocesorului. In timp, aceste tehnologii au evoluat in sensul cresterii performantelor de viteza de la PMOS, NMOS, HCMOS etc.O privire asupra evolutiei microprocesoarelor INTEL in timp, releva evolutia acestor factori mentionati anterior.

INTEL 4004 - primul microprocesor; aparut in 1971, realizat in tehnologie PMOS, inglobeaza 2.250 de tranzistoare pe pastila de siliciu. Prelucrare pe 4 biti, ceas de 740 KHz, viteza 60.000 de operatij/secun-da, memorie adresabila 4 Koct, set de 45 instructiuni orientate pe operatiuni aritmetice.Utilizatorul poate programa microprocesorul sa realizeze un numar mare de sarcini diferite, fiind un circuit versatil, spre deosebire de circuitele dezvoltate anterior care erau dedicate.

INTEL 8008 - aparut in 1972, microprocesor pe 8 biti, tehnologie PMOS, grad de integrare 3.300 tranzistoare pe pastila de siliciu, ceas 800 KHz, viteza 30.000 operatii/secunda, memorie adresabila 16 Koct, set de 48 de instructiuni. Proiectat initial pentru comanda unui display pe tub catodic pentru firma DATAPOINT Corporation, microprocesorul nu a fost acceptat, fiind considerat prea lent, fata de logica cablata clasica. Totusi, piata a absorbit curind circuitul, aplicatiile sale de manipulare date si caractere dovedind utilitatea sa. A devenit evident pentru INTEL ca un viitor deosebit era in fata acestor circuite.

INTEL 8080-tehnologie NMOS, grad de integrare 4.500 de tran zistoare pe capsula, capacitate de adresare 64 Koct, frecventa ceasului 2,083 MHz, 200.000 de operatii/secunda, set de 72 de instructiuni.Succesul deosebit al lui 8008, a determinat INTEL sa proiecteze si sa lanseze pe piata, in aprilie 1974, microprocesorul 8080. Prin versatilitate, acest microprocesor a determinat aparitia a nenumarate aplicatii care au inglobat circuitul. 8080 si-a gasit locul in industria electronica. Dar poate cea mai importanta aplicatie, cu cele mai penetrante implicatii in viitor a fost realizarea pe baza lui 8080 a primului calculator personal ALTAIR 8800, produs in 1975 de catre firma Micro Instru-mentation Telemetry Systems.Tot de 8080 este legata si aparitia primului calculator personal 'comercial', APPLE II. Istoria nasterii si evolutiei firmei APPLE ilustreaza extraordinara putere a ideii novatoare in conditiile economiei de piata. Proiectat si realizat 'pe genunchi', intr-un garaj, de doi studenti, Steve Wozniak si Steven Jobs, vindut, in 1976 direct din acelasi garaj; actiunea, la inceput cu putine sanse de reusita, a pus bazele unei firme APPLE CO, care avea sa parcurga triumfal calea succesului, devenind numai in 8 ani o corporatie internationala avind la activ multe miliarde de dolari.

In 1978, INTEL a deschis seria microprocesoarelor pe 16 biti prin 8086, care inglobeaza cca 29.000 de tranzistoare pe capsula, lucreaza cu un ceas de 4 sau 8 MHz si executa 330.000 de operatii/secunda. Putind adresa fizic si virtual l Moct de memorie cu o marime a segmentului de 64 Koct, 8086 era un microprocesor cu adevarat puternic la momentul respectiv. Si totusi, piata 1-a acceptat cu greu -reticenta la 16 biti - nedispunind de circuite suport pe 16 biti. Iata de ce in 1979, INTEL corecteaza eroarea de apreciere a pietei lansind microprocesorul 8088, identic cu 8086 sub aspectul arhitecturii interne, dar mai bine adaptat la mediul foarte raspindit de 8 biti, comunicind cu exteriorul pe 8 biti, un hibrid perfect intre 8 si 16 biti.Optiunea gigantului IBM pentru acest microprocesor, pentru realizarea primului calculator personal IBM (IBM PC) a reprezentat un factor hotaritor in sustinerea pe mai departe a firmei INTEL.Prin IBM PC cele doua microprocesoare 8086/8088 au constituit baza calculatoarelor personale acceptata ca standard industrial. Tot pe baza structurii IBM s-au dezvoltat programe devenite standard si produse standard disponibile astazi pe piata de calculatoare personale. Tactica de 'urmarire a leaderului' a facut, de asemenea, sa apara mii de calculatoare IBM PC. Prin aceasta si prin tactica sistemului deschis prin care utilizatorii aveau posibilitate sa dezvolte aplicatii (placi aditionale) care sa poata fi introduse in calculatorul personal IBM s-a multiplicat sansa proliferarii standardului IBM in domeniul calculatoarelor personale. Este exemplul unei stralucite reusite in domeniul marketingului.Evolutia lui IBM a fost legata pentru multa vreme de 8086/8088, in fapt o intreaga generatie de PC, IBM PC original, IBM PC XT, IBM 3270 PC, PC Jr, PC Portable (Hurricane) si PC Convertible.In scurt timp alternativa compatibilitatii IBM se deplaseaza din domeniul optiunii in domeniul necesitatii.Doar APPLE, credinciosi propriului mit si vocatiei originalitatii, continua sa supravietuiasca in mod miraculos, ca o stralucita exceptie care confirma regula, intr-o lume de compatibili IBM.In 1982, INTEL lanseaza 80286, un microprocesor realizat intr-o tehnologie superioara fata de predecesorul sau 8086. Insumind peste 135.000 de tranzistori pe capsula, lucrind cu frecvente de ceas de 6, 8, 10, 12 MHz, sau chiar 16 MHz, putind sa atinga pina la 2,1 milioane de instructiuni pe secunda, accesind un spatiu de memorie real de pina la 16 Moct si un spatiu de memorie virtual de pina la l Goctet, 80286 reprezinta in domeniul celor 16 biti un salt deosebit. Pastrind compatibilitatea totala la nivel de cod obiect cu 8086, realizeaza performante de 2,5 ori mai bune decit 8086, chiar daca se foloseste aceeasi frecventa de ceas si nici una din instructiunile sale suplimentare.

IBM a fost primul producator mare care a utilizat 80286 atunci cind a introdus PC AT in 1984. De atunci au urmat multe calculatoare compatibile AT. IBM a continuat sa utilizeze acest microprocesor in noua sa generatie de calculatoare personale IBM PS2, modelul 30 286, 50 si 60. Astazi vinzarile de PC 286 depasesc vinzarile de sisteme 8086/8088.Principalul atu al lui 286 este, desigur viteza. Arhitectura sa are in vedere un grad inalt de paralelism in executia instructiunilor, ceea ce ii confera caracteristici superioare predecesorului sau. Mecanismele intrinseci implementate in logica sa interna sint mai bine adaptate lucrului sub controlul unui sistem de operare multitasking. Pentru prima oara, programe sofisticate, cum ar fi gestiunea bazelor mari de date, programe de proiectare automata (CAD), sau programe sofisticate de editare pot fi rulate independent de calculatoare mini sau medii, pe calculatoare personale.Dar, pe masura ce aplicatiile pe calculatoarele personale au depasit etapa procesarii de texte si a programelor de tip 'spreadsheet' si au intrat in domeniul sofisticat al produselor bazate pe grafica de tip WINDOWS, arhitectura pe 16 biti a lui 80286 a inceput sa-si eviden tieze limitarile. In anii 80, 8086/8088 pareau puternice. Limita adresarii a l Moctet de memorie parea o stacheta indepartata pentru programe ce solicitau 256K, 512K si in fine 640 Kocteti de memorie. In momentul in care programe sofisticate au impins limita cerintelor peste l Moctet de memorie, au trebuit sa se imagineze tehnici complexe, asa cum sint comutarea bankurilor de lucru (EMS), sau programe de supra punere (overlay), sau terminate and stay resident (TSR). Aceste programe au prelungit viata lui 286, dar au impus limitari de performanta si de functionare asupra aplicatiilor.Compatibilitatea cu 8086 este asigurata la 80286 prin existenta a doua moduri de lucru: mod real (8086/8088) si mod protejat (80286). in mod real, 80286 se prezinta din exterior ca un 8086, putind accesa l Moctet de memorie. In mod protejat pozitionarea prin program a unui bit de stare permite adresarea unui spatiu de 16 Mocteti. Dezvoltind sistemul de operare OS/2, MICROSOFT a intilnit o problema majora generata de inexistenta unui mecanism hardware de intoarcere din mod protejat in mod real, fapt care conducea la oprirea procesorului in aceste situatii. Microsoft a rezolvat problema printr-o comutare de moduri echivalenta cu un reset al sistemului.Dar cea mai mare constringere impusa software-ului este modul de programare segmentat al familiei INTEL. Pentru a depasi bariera celor 64 Kocteti proprie microprocesoarelor pe 8 biti, si pentru a pastra compatibilitatea pe mai departe cu acestea, INTEL a introdus arhitectura segmentata odata cu 8086/8088. Prin extinderea bus-ului de adrese de la 16 la 24 de biti, utilizind o tehnica de suprapunere, microprocesorul poate adresa l Moctet de memorie. Totusi, aplicatii utilizind structuri de date si programe lungi trebuie inca sa segmen teze memoria in felii de 64 K. Acest lucru incomodeaza si forteaza programatorii sa partitioneze o aplicatie in segmente multiple de cod si de date.Programele si structurile de date care depasesc granita celor 64 Kocteti solicita tehnici foarte complicate si nu pot elibera aplicatia, sau limbajul sursa de dificultatea de a manevra segmente de cod si date. In sfirsit, 80286 este lipsit de mecanisme hardware pentru implementarea efectiva a conceptului de memorie virtuala, o tehnica prin care capacitatea mare a discurilor de masa este vazuta ca si cum ar fi propria memorie RAM a calculatorului. El realizeaza aceasta prin programe sofisticate care, ele insele consuma timp si spatiu de memorie. Dar punctul slab al lui 80286 este ca incearca sa rezolve probleme de anvergura raminind in domeniul celor 16 biti. Aceasta constringere il marcheaza in mod fatal.in 1985, INTEL a introdus microprocesorul 80386. Daca celelalte microprocesoare aduceau inovatii, mai mult sau mai putin importante, 80386 a reprezentat un salt calitativ revolutionar fata de predecesori, in conditiile pastrarii compatibilitatii cu programele dezvoltate pentru 8086/80286.Principala inovatie este faptul ca arhitectura procesorului este pe 32 de biti, atit interna cit si externa. 80386 este produs utilizind tehnologia CHMOS II, un proces care combina calitatile de inalta frecventa ale tehnologiei HMOS, cu cele de consum mic de putere proprii tehnologiei CMOS. Utilizind geometria de 1,5 u si 2 straturi metalice, produsul compacteaza pe placuta de 1/4' de siliciu mai mult de 275.000 de tranzistoare si un milion de componente electronice.Este o magistrala realizare a tehnologiei VLSI. Tehnica 'pipe-line', prelucrarea paralela, precum si lucrul la 16, 25, 33 MHz ridica performanta microprocesorului la 3-5 milioane de instructiuni pe secunda (7 MIPS la 25 MHz). Cu aceasta, performanta lui 80386 depaseste viteza multor minicalculatoare si egaleaza viteza calculatoa-relor medii de acum 10 ani. Dar cele mai semnificative avantaje sint oferite de 386 programatorilor inlaturind barierele intilnite de sistemele de operare si aplicatiile pe microprocesoarele precedente, cum ar fi lucrul pe 32 de biti, sistemul de paginare al memoriei, caracteristici de I/O superioare si spatiul de adresare liniar mult mai mare (4 Gocteti). Foarte important este faptul ca toate aceste modificari structurale au fost implementate intr-un superset de functiuni, pastrind in acelasi timp compatibilitatea cu produsele software pentru 8086/8088 si 80286. Ca si in cazul lui 8086, care a fost urmat de un 8088 mai adaptat mediului existent de 8 biti, si 80386 a fost urmat de 80386SX, un element de tranzitie intre 80286 si 80386. Ca si 286, 386SX acceseaza pina la 16 Mocteti de memorie; de asemenea are cai de date de 16 biti. Intern, insa, SX prelucreaza, ca si 386, 32 de biti. In plus, 386SX prezinta o compatibilitate perfecta cu toti predecesorii INTEL (8086/8088 si 80286) retinind modul protejat si virtual 8086 al lui 80386. 386SX, 386 si mai departe 486 sufera in prezent de inexistenta unui software care sa exploateze calitatile acestora.Dar calitatile exceptionale expuse anterior dau software-ului sansa de a prinde din urma hardware-ul. Baza instalata in momentul acesta pe sisteme 386 este suficient de mare ca sa merite efortul dezvoltarii.Urmatorul membru al familiei INTEL, 80486, nu este esential diferit de predecesorul sau 386.Beneficiind de o tehnologie superioara, 486 este mai rapid si inglobeaza in structura sa circuite care in mod traditional erau circuite suport exterioare, cum ar fi: controllerul pentru memoria coche, coprocesorul matematic si de periferie: porturile de comunicatie si suportul pentru grafica de mare viteza. In plus, circuitul poate sustine lucrul cu procesoare multiple.Avantajele unei viteze mai mari sint legate in primul rind de reduceri de pret. De exemplu, un minicalculator VAX costa mai mult de 20.000 $. O masina completa 486 poate sa se situeze in intervalul de pret de la 4000 $ la 10.000 $, atingind performante competitive. Caracteristicile de protectie asigura integritatea sistemului de operare in fata interfetei utilizatorilor si a utilizatorilor intre ei insisi.Siguranta globala a unui sistem in mod PROTEJAT depinde in principal de robustetea sistemului de operare, nu de siguranta progra mului utilizator. Modul PROTEJAT 80386 este preferat datorita lucrului pe 32 de biti, suportul memoriei virtuale si securitatii acestuia.Oricum, modul protejat permite o flexibilitate deosebita. In aceasta privinta, modul 8086 virtual este interesant, intrucit permite rularea oricarui software existent 8086 sub controlul sistemului de operare in mod PROTEJAT pe 32 de biti. Aici nu exista nici un fel de restrictie. Software-ul de aplicatie 8086 implicat poate fi un program de aplicatie autohton, sau poate fi un intreg sistem de operare 8086, cum ar fi PC-DOS. Cind software-ul 8086 este executat in mod 8086 VIRTUAL, el 'crede' ca lucreaza pe un 8086 fizic. De fapt, sistemul de operare 80386 master in mod PROTEJAT detine controlul tuturor resurselor sistemului. Combinarea compatibilitatii pe 16 biti si a functiilor aditionale de operare in mod protejat fac ideala utilizarea lui in sisteme de operare care suporta multitasking-ul intr-o varietate de medii de programare. Modul VIRTUAL 8086 este o solutie eleganta pentru asigurarea compatibilitatii software intre generatii de sisteme de la 8086 la 80386. in acest mediu, 80386 poate executa programe PC-DOS multiple neschimbate intr-un mediu protejat.Aceasta calitate confera lui 80386 o compatibilitate fara precedent cu membrii anteriori ai familiei INTEL. Modul virtual 8086 pro tejeaza investitiile deosebite facute in software-ul 8086/88 si fur nizeaza o cale comoda de abordare a problemelor legate de memoria virtuala, multiprelucrare si lucrul insusi pe 32 de biti. In modul virtual, 80386 poate rula aplicatii PC DOS simultane separate si fara interferente intre programe. Aceasta deoarece fiecare masina virtuala are spatiul de adresa propriu, spatiul porturilor de adresa si tabela vectorilor de intrerupere. Un program 8086 ruleaza in acest mediu ca parte dintr-un task virtual 8086.

Software-ul care ruleaza in modul nativ protejat pe 32 de biti 80386 si implementeaza un set de masini 8086, virtuale este denumit program de control 80386 sau monitor de masina virtuala.Diferenta esentiala intre Modul Real si Virtual 86 este faptul ca protectia memoriei, mecanismul de memorie virtuala si de verificare a privilegiilor sint valide si atunci cind masina virtuala lucreaza. Prin urmare executarea unui program intr-o masina virtuala 8086 nu blo- Anul 1990 a marcat aparitia unor calculatoare personale 486 foarte puternice, folosite indeosebi ca servere de retele. Astfel COMPAQ SYSTEMPRO 486/840, IBM Model 95, DELL 433TE, AT&T STAR SERVER, Hewllett-Packard Vectra 486, sint citeva nume mari inscrise in cursa pentru performanta. Ponderea acestor sisteme si viteza de asimilare a acestora in cursul anului 1991 este obiectul unei analize in capitolul urmator.

Concluzii:

1. Productia neingradita de microprocesoare

Datorita deciziei inspirate a lui IBM de a alege procesorul 8088 ca motor al PC-ului original, INTEL a demarat elaborarea inovatoare a 3 generatii succesive de microprocesoare - 286, 386 si 486. Intre timp printr-un contract de licenta inteligent, rivalul lui INTEL, AMD a pus la dispozitia producatorilor de compatibili suficiente microprocesoare care au proliferat standardul AT pina la nivelul in care a devenit cel mai puternic standard din industria calculatoarelor cu peste 40 milioane de calculatoare vindute.In momentul de fata INTEL este preocupat ca prin diverse manevre legale sa-l opreasca pe AMD sa produca 386 si 486, manevre care sint in defavoarea producatorilor de compatibili. Daca INTEL ar fi aplicat aceeasi politica referitoare la 286, probabil cumparatorii ar fi achizitionat acum AT-uri scumpe in locul performantelor 386 de astazi. Ca atare, consideram ca politica cea mai inteleapta este acordarea licentei catre AMD fapt ce va rezolva intr-o oarecare masura Multe firme au anuntat sisteme realizate pe baza lui 80486SX, dar nu este de asteptat ca acestea sa inlocuiasca linia de produse 386. Este mai degraba o masura prin care INTEL incearca sa elimine de pe piata pe AMD prin promovarea lui 80486, intrucit aceasta a investit mult in AM386, cu scopul declarat de a ramine in continuare unic furnizor.

BIBLIOGRAFIE

DOCUMENTATIE INTERNET:

1.www.chip.ro

2.www.pcworld.ro   

4.www.price.ro

5.www.pcmagazine.ro