Microprocesorul (mP)

Microprocesorul mP

a baza functionarii unui calculator(SC) se afla microprocesorul(mP), inventat in anul 1971 de catre ing. M.F. HOFF de la firma INTEL, care a produs o adevarata revolutie in domeniul calculatoarelor si al informaticii, avand un impact deosebit in toate domeniile stiintifice, economice si sociale. Microprocesorul (mP) a fost  inventat ca urmare a rezultatelor obtinute in trei domenii speciale aparute si dezvoltate in secolul XX:

sisteme cibernetice

programare

circuite integrate

Din acest motiv, microprocesorul poate fi considerat  un "calculator in miniatura" constituit din:

unitatea de comanda - control (Ucc);

unitatea de executie (operatii aritmetice si logice-Ual);

memorie proprie formata din 14 registre(MmP

Activitatea primelor componente (Ucc, Ual)  are loc prin utilizarea celor 14 registre: 2 pentru comanda-control, 4 pentru date (informatii) si 8 pentru adrese. 

Un registru este un element esential in procesul de prelucrare a informatiilor provenite din activitatea de executie a programelor aflate in memoria interna a calculatorului. Acesta reprezinta o unitate de adresare a memoriei interne in cadrul procesului de adresare a continutului memoriei interne, proces prin intermediul caruia are loc accesarea informatiilor stocate in memorie. Unitatea de adresare se numeste cuvant de memorie. Performantele microprocesorului sunt functie de:

organizarea si reprezentarea informatiilor;

organizarea si capacitatea memoriei interne;

tehnica de adresare a memoriei interne;

metodele de executie a operatiilor in procesarea informatiilor

viteza de lucru (frecventa de lucru) in executia operatiilor

Formal, memoria interna este considerata o structura liniara (m_i)_i.>0, m_i fiind  0 sau 1 cu semnificatia "stins", respectiv "aprins" si reprezinta o pozitie binara, numita bit (binary digit). Prin urmare, o succesiune de biti poate fi utilizata pentru stocarea de informatii convertite in pozitii binare. Unitatea de masura pentru memorie este byte-ul (octet-ul) si reprezinta o succesiune de 8 pozitii binare, de exemplu 0 1 0 1 0 1 1 1

1b = 8 biti  sau 1o = 8 biti. Multiplii byte-ului sunt:

1 Kb = 1024 b = 2¹⁰ b  ;   1 Mb  = 1024 Kb =2²⁰ b  ;   1 Gb  = 1024 Mb = 2³⁰ b. 

Din punct de vedere logic, memoria interna a unui calculator este organizata in blocuri de memorie, 1 bloc = 64 Kb, aceste blocuri avand destinatii precise in stocarea informatiilor pentru buna functionare a calculatorului sub un sistem de operare adecvat.

Un rol important in utilizarea memoriei interne si in procesul de prelucrare a informatiilor are conceptul de cuvant de memorie (word), acesta fiind de fapt o unitate de masura (unitate de adresare)  in sistemul de coordonate (adrese) atasat unei memorii interne avand o anumita organizare logica, de exemplu in blocuri. 

In evolutia sistemelor de calcul, capacitatea cuvantului de memorie a fost variabila si a determinat cresterea performantelor acestora, in acest sens este cunoscuta clasificarea microprocesoarelor in generatii functie de capacitatea cuvantului de memorie utilizat:

1 cuv. =  4 biti;

1 cuv. =  8 biti = 1 b;

1 cuv. =  16 biti  =  2 b;

1 cuv. =   32 biti  = 4 b.

In acest sens, pana in prezent sunt cunoscute urmatoarele generatii de microprocesoare:

gen. 1 mP   tip 4004, 8008,       1w = 4 biti  ( dupa anul 1971 );

gen. 2 mP   tip XT 8080,           1w = 8 biti ( dupa anul 1974 );

gen. 3 mP   tip AT 8088, 8086, 80186,80286,     1w = 16 biti ( dupa anul 1978;  in 1981 apare PC ; in 1982 apar 80186, 80286);

gen. 4 mP   tip AT 80386,          1w = 32 biti ( anul 1985 );

gen. 4,5 mP  tip 80486, 80586(Pentium), 80860, RISC-I860, etc., 1w = 32 biti(dupa anul 1989; 80486 inglobeaza si coprocesorul matematic 80387;1993-586 ).

Performanta microprocesorului este data si de viteza de lucru (frecventa de lucru-impulsuri la intervale foarte mici de timp), masurata in MHz si care determina realizarea unei viteze de executie  de cateva milioane de instructiuni/secunda. Daca primele microprocesoare aveau frecventa de lucru de 4MHz(mP 8088), 8MHz(mP 80186), 16MHZ(mP 80286), 30 MHz(mP 80386), astazi microprocesoarele actuale lucreaza cu o frecventa de ordinul 1,2/1,7 GHz sau 3/3,6 GHz, aceasta datorandu-se faptului ca modernizarea lor este tot timpul in atentia proiectantilor si fabricantilor de microprocesoare, dar si pentru ca acestea incorporeaza asa-numitul coprocesor matematic ce mareste viteza de lucru la executia operatiilor aritmetice cu numere reale.

Performanta microprocesorului este determinata si de spatiul de memorie interna pe care o poate adresa. Daca primele microprocesoare erau construite sa adreseze un spatiu de memorie de 256Kb, 640Kb, sau 1Mb, astazi exista microprocesoare ce sunt proiectate sa adreseze un spatiu de memorie de  32Mb, 64Mb sau 128/256/512/1024 Mb.

Concluzie. Performanta microprocesoarelor este determinata de:

capacitatea cuvantului de memorie utilizat;

viteza de lucru (frecventa de lucru);

spatiul de memorie interna adresabil.

Din punct de vedere al comunicatiilor informatiilor in functionarea unui sistem de calcul, se disting 3 tipuri de informatii (magistrale-trasee de cupru ce genereaza informatii binare si prin care se realizeaza comunicarea mP cu celelalte componente ale SC) :

informatii ce reprezinta valori  (date; pe 16 biti);

informatii ce reprezinta adrese (coduri; pe 20 biti);

informatii ce reprezinta control (comenzi).

Microprocesorul isi exercita functiile, si anume prelucreaza programele aflate in memoria interna,  prin utilizarea, coordonarea si controlul:

memoriei interne

dispozitivelor rapide (HD, FD, CD);

dispozitivelor auxiliare ( diverse dispozitive I/O).

nitatea de comanda-control (Ucc) este utilizata de microprocesor pentru a programa executia secventiala in timp a tuturor manevrelor necesare in vederea executarii unei instructiuni (comenzi) aflata temporar in memoria interna. In acest scop, Ucc :

- genereaza semnalele de comanda pentru intregul sistem de calcul;

dirijeaza fluxul de date;

- coreleaza viteza de lucru a unitatii centrale cu timpul de acces al memoriei ;

- regleaza actiunile sale functie de un semnal de ceas a carei frecventa este de ordinul  MHz-ilor.

Semnalele prin care microprocesorul realizeaza  comenzi de executie spre memorie sau spre alte componente ale sistemului se numesc semnale de comanda, iar semnalele prin care microprocesorul primeste informatii despre diferite componente ale sistemului se numesc semnale de stare. Comunicarea dintre microprocesor si celelalte componente ale sistemului se face prin intermediul magistralelor externe. Efectuarea unor transferuri interne de date se realizeaza prin magistrala interna de date. La magistralele de date si de comenzi pot fi cuplate circuite de I/O ce realizeaza legatura cu dispozitivele I/O.

Memoria microprocesorului(MmP) formata dintr-un numar de registre are rolul de a pastra temporar date, adrese de memorie si informatii de stare si control. Aceste registre sunt impartite in urmatoarele categorii:

registre generale - in numar de 8 si clasificate in registre de date ( notate AX, BX, CX, DX), registre de pointer ( SP, BP), registre de index ( SI, DI);

registre de segment(adresare) - in numar de 4 si notate prin CS(adresa de baza a segmentului de memorie care contine codul programului), SS(segmentul de stiva curent), DS(segmentul de date curent - datele si variabilele programului), ES (extrasegmentul curent);

registrul pointer-ului de instructiune (IP- Instruction Program sau PC-Program Counter)- contine adresa de memorie a urmatoarei instructiuni ce trebuie executata;

registrul indicatorilor de stare si control - contine informatii referitoare la natura rezultatului unei operatii aritmetice(13 indicatori pentru 80386 si 20 indicatori pentru microprocesorul 80486);

 Observatie. Microprocesorul 80386 utilizeaza in plus inca doua registre de segment FS si GS.

 Pentru a executa o instructiune, in sistemul de calcul au loc urmatoarele evenimente:

mP depune pe magistrala de date valoarea din registrul IP;

mP depune pe magistrala de comenzi comanda de citire din memorie;

memoria interna preia de pe magistrala de date valoarea care a fost stocata din IP;

- este cautata adresa data de aceasta valoare si se preia continutul ce va fi stocat pe  magistrala de date;

mP depune pe magistrala de comenzi comanda de terminare a citirii din memorie;

mP citeste de pe magistrala de date valoarea stocata anterior si executa  instructiunea  codificata prin aceasta valoare;

- valoarea din registrul IP este incrementata cu o unitate. 

Fizic, microprocesorul este construit din circuite integrate (module) numite cip-uri (chips in engleza) care inglobeaza Ucc, Ual, MmP  si se afla pe asa-numita placa de baza in interiorul unitatii de sistem ( system unit). Pe placa de baza se mai afla:

cipuri de memorie circuite VLSI(Very Large Scale Integration)

coprocesor matematic;           

cip pentru generatorul de ceas;

cip pentru sunet;

cip pentru accesul direct la memorie;

cipuri pentru controlul dispozitivelor I/O

Cele mai importante firme din lume producatoare de microprocesoare sunt:

 Intel, AMD, Cyrix/IBM, PowerPC, Digital Alpha, Sun Sparc, MIPS,ARM, DELL