Microprocesorul (mP)

Microprocesorul (mP

Componenta centrala din cadrul unui calculator personal, actual, este microprocesorul mP , denumit si "creierul calculatorului". El a fost inventat de ing. M.F. Hoff de la firma INTEL si este cel care realizeaza operatiile de prelucrare si de calcul.

Microprocesorul este vazut ca"un calculator in miniatura" format din:

UCC unitate de comanda si control ce urmareste ordinea de executie a    instructiunilor unui program si controleaza intreaga activitate a unitatii centrale

UAL unitate de executie a operatiilor aritmetico-logice.

MmP - memorie proprie formata din 14 registre interne utilizate de primele doua componente (UCC si UAL ) cu urmatoarea structura:

2 pentru comanda si control;

4 pentru date;

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.

Registrele interne pot fi :

de uz general pentru a stoca valorile intermediare ale calculelor ;

cu destinatie specifica - contorul de program ce indica adresa noii instructiuni care urmeaza a fi executata precum si adresa instructiunii curente care se executa.

Rolul P este de a executa programele stocate in memoria principala (interna), executie realizata in trei etape:

1. extragerea instructiunilor;
2. decidificarea instructiunilor;
3. executarea propriu-zisa.

Timpul necesar executarii unei instructiuni se numeste ciclu instructiune.

Executia unei instructiuni se realizeaza pe parcursul a opt etape :

1. incarcarea instructiunilor din memorie in registrul de instructiuni ;
2. actualizarea contorului de program pentru a indica urmatoarea instructiune care urmeaza a fi executata ;
3. decodificarea instructiunii din registru de instructiuni ;
4. localizarea in memorie a eventualelor date utilizate de instructiune ;
5. incarcarea datelor, in cazul in care este necesar, in registrele interne ale P;
6. executia efectiva a instructiunilor ;
7. stocarea rezultatelor la destinatia corespunzatoare din memorie ;
8. intoarcerea la etapa 1 pentru executarea altei instructiuni.

Din punct de vedere al comunicatiilor informatiilor in functionarea unui sistem de calcul, figura 2, 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).

Figura     Comunicarea informatiilor in sistemul de calcul

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).

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.

Sistemele de numeratie folosite pentru a reprezenta informatiile intr-un sistem de calcul sunt trei si anume :

sistemul binar al carui alfabet este format doar din doua numere 0 si 1, este utilizat pentru a reprezenta informatiile in calculator. Aceste numere poarta numele de cifre binare iar pozitia pe care o ocupa in cadrul sirului binar se numeste pozitie binara.

sistemul octal al carui alfabet este format din opt cifre 0, 1,2,3,4,5,6, si 7.

sistemul hexazecimal al carui alfabet este format din saisprezece cifre si litere 0, 1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D si F. Literele sunt folosite pentru a reprezenta cifra printr-un singur simbol, astfel in loc de 10 vom avea A, in loc de 11 vom avea B, in loc de 15 vom avea F.

      Tabloul de adevar pentru aceste sisteme este prezentat in continuare :

Sistemul binar

Sistemul octal

Sistemul hexazecimal

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)  a memoriei 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 o crestere a 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:

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

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

      generatia 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; iar in 1993 apare 80586 ).

       Caracteristicile  microprocesoarelor din fiecare generatie sunt prezentate in tabelul din figura 3.

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 ), 8MHz (mP ), 16MHZ (mP ), 30 MHz (mP ) , astazi microprocesoarele actuale lucreaza cu o frecventa de ordinul 400/500 MHz sau 700/900 MHz, 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 il 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.

Figura 3. Caracteristicile  microprocesoarelor

&Concluzie. Performanta microprocesoarelor este determinata de:

viteza de lucru (frecventa de lucru) care este determinata la randul ei de:

lungimea cuvantului de memorie - reprezinta numarul de biti ce poate fi prelucrat la un moment dat;

viteza ceasului - reprezinta numarul de impulsuri elecronice produse de ceasul intern intr-o secunda si se masoara in MHz.

spatiul de memorie interna adresabil determinat de lungimea cuvantului de memorie.