Registre mikroprocesora

Obr. 17. Blokové zapojenie mikroprocesora (CPU) 8088 s registrami, frontou príkazov, adresovou sčítačkou a ALU pre aritmetické a logické operácie. CPU 8088 pozostáva z dvoch oddelených funkčných jednotiek, vykonávajúcej jednotky EU (Execution Unit) a jednotky styku so zbernicou BIU (Bus Interface Unit). Prepojenie obidvoch jednotiek uskutočňujú tri vnútorné zbernicové systémy, na obrázku označené A, B, C. V EU sa dekódujú a vykonávajú strojové inštrukcie, ktoré prichádzajú z BIU, kde boli zoradené do fronty. Fronta (v CPU 8088 o kapacite 4 bajty, v CPU 8086 o kapacite 6 bajtov) pracuje na princípe FIFO (First In First Out). Pri vykonávaní jednotlivých operácii v ALU sa nastavujú zodpovedajúce bity príznakového (flagového) registra. Ako zápisníková pamäť slúžia štyri univerzálne registre AX, BX, CX, DX.

obr. 18. Základné registre CPU v 16 bitovom a 32 bitovom formáte.

q Univerzálne registre AX, BX, CX, DX, slúžiace ako prechodná pamäť namiesto operačnej pamäti, na skrátenie prenosu dát. Každý z registrov 8086 má oddelený prístup k hornému bajtu, napríklad AH, k dolnej časti AL a aj celkove k AX, ako 16 bitovému registru. U novších 32 bitových procesorov sa na prístup k celému 32 bitovému registru používa označenie s E, napríklad EAX. Použitie týchto registrov môže byť ľubovoľné, v mnohých inštrukciách je však implicitné:

• AX - hlavný register (akumulátor) používaný pri aritmetických a logických operáciách na uloženie jedného z operandov, poprípade aj výsledku.
• BX - (nepriama adresa - base) register sa používa ako ukazovateľ prístupu k rôznym blokom údajov a tabuľkám v pamäti.
• CX - (count) register sa používa ako počítadlo prechodov cez slučku, resp. počítadlo opakovaní prenosu dát, alebo ako počítadlo počtu iterácii.
• DX - ( data ) register používaný pri ukladaní dát a tiež špeciálne, napríklad pri delení sa do neho ukladá zvyšok delenia operandu uloženého v AX, alebo sa používa tiež na uloženie adresy I/O zariadenia.

• CS - (Code ) segment, ktorý určuje oblasť pamäti, kde sú uložené inštrukcie alebo kód programu, ktorý sa má aktuálne vykonať.
• DS, ES - (Data , Extra) segmenty, pomocou ktorých sa adresujú dáta (premenné) používané v programe. ES nemá presné implicitné určenie.
• SS - ( Stack) zásobník, fungujúci ako pamäť typu LIFO. Registre SS:SP udávajú dohromady adresu, na ktorej sa v pamäti nachádza zásobník.

Obr.19. Použitie segmentových registrov pri adresovaní pamätí.

Obr. 20. Adresovanie pomocou segmentov (napríklad adresa CS:IP ) ako dvojdimenzionálny proces.

q Registre na špeciálne účely -SP, BP, SI, DI

• SP, BP - ( Stack, Base Pointer ) registre, pomocou ktorých sa uskutočňuje posuv v zásobníku. Program zriedka sám mení obsah registra SP, namiesto toho používa register BP. Použitie registra BP obdobné použitiu registra BX.
• SI, DI - (Source, Destination ) index registre, slúžiace ako všeobecný prostriedok na nepriame adresovanie dát. Tiež sa používajú pri presune a pri porovnávaní blokov dát.

a/	b/
Obr. 21. Objasnenie spôsobu ukladania a vyberania dát do a zo zásobníka:  a/ pomocou inštrukcii Push a Pop;  b/ pri prenose parametrov do podprogramu.

• IP - (Instruction Pointer ), register slúžiaci ako programové počítadlo, ktoré obsahuje adresu aktuálne vykonávanej inštrukcie (relatívny posun voči segmentovej adrese). Celá adresa je daná obsahom registrov CS:IP.
•  Register príznakov alebo indikátorov (F - Flag register ) - ktorý tvorí súbor individuálnych stavových a ovládacích bitov. Príznakové bity pomáhajú určiť aktuálny stav procesora. Flagový bit je nastavený ak má logickú hodnotu 1.

Obr.22. Štruktúra a formát registra príznakov (flagov) a porovnanie formátov rôznych procesorov.

Najdôležitejšie príznaky:

• OF - overflow flag - príznak, ktorý sa nastaví ak pri aritmetických operáciach došlo k pretečeniu výsledku.
• DF - direction flag - tento príznak riadi smer spracovania reťazcových operácii. Pri nastavení DF=1 (pomocou inštrukcie STD) sa obsah registrov SI a DI inkrementuje, pri nastavení DF=0 (pomocou inštrukcie CLD) sa registre dekrementujú.
• IF - interupt enable flag - obsahuje stav maskovateľného prerušenia. Ak je nastavené IF=0 je prerušenie zakázané, v opačnom prípade je povolené. Tento bit možno nulovať inštrukciou CLI alebo nastaviť na jednotku inštrukciou STI.
• TF - trap flag - príznak, ktorý sa používa pri ladení programov. Jeho nastavenie spôsobí, že procesor po vykonaní každej inštrukcie generuje prerušenie INT1 a zastaví sa.
• SF - sign flag - určuje znamienko výsledku operácie. Ak je nastavený SF=1 je výsledok záporný, v opačnom prípade je kladný.
• ZR - zero flag - sa nastaví na jednotku ak je výsledok operácie 0.
• AF - auxiliary flag - sa nastaví AF = 1 ak došlo k prenosu z 3 bitu do 4 bez ohľadu na dĺžku operandu. Používa sa pri BCD aritmetike.
• PF = parity flag - sa nastaví na 1, ak je počet jednotiek dolných 8 bitov výsledku párny.
• CF - carry flag - príznak CF=1, ktorí sa nastaví ak došlo k prenosu cez najvyšší bit.

q Ďalšie registre pre správu virtuálnej pamäte

• MSWR - maschine status word register - register v ktorom sú uložené stavové slova procesora.
• GDTR - global descriptor table register -. deskriptor definujúci uloženie inštrukcii a dát spoločných všetkým úlohám.
• LDTR - local descriptor table register - deskriptor definujúci uloženie inštrukcii a dát pre jednotlivú úlohu.
• IDTR - Interrupt descriptor table register - deskriptor charakterizujúci obsluhu prerušení.
• TR - task register - deskriptor charakterizujúci bežiace úlohy.

Podpora adresovania u mikroprocesora 80x86

Adresa je označenie miesta uloženia adresovaného slova alebo jeho časti. Pamäť býva rozdelená na bunky určitej veľkosti, z ktorých každá je jednoznačne identifikovaná svojim číslom. Toto číslo sa nazýva adresa pamäti a veľkosť takejto bunky, ktorá má svoju vlastnú adresu, sa označuje ako najmenšia adresovateľná jednotka.

Nepriama adresa alebo adresa druhého rádu je adresa, na ktorej až sa nachádza priama adresa.

Nepriame registrové adresovanie. Inštrukcia s týmto adresovaním obsahuje vo svojom operačnom znaku príznak registra alebo skupiny registrov, v ktorých je uložená priama alebo ďalšia nepriama adresa operandu.

Adresovanie ukazovateľmi. Každý procesor obsahuje špeciálne registre, ktorých obsah "ukazuje " na príslušné miesto a preto sa označuje ukazovateľ (pointer). Jedným takýmto ukazovateľom je počítadlo inštrukcii, resp. ukazovateľ inštrukcii IP druhým je ukazovateľ zásobníkovej pamäti SP.

Relatívna adresa umiestnená v adresovej časti inštrukcie predstavuje tzv. posunutie (offset, displacement), t.j. údaj o relatívnej polohe operandu vzhľadom k určenému vzťažnému pamäťovému miestu. Adresa vzťažného miesta sa nazýva báza alebo bázová adresa a je uložená v bázovom registre.

Autorelatívne adresovanie. V tomto prípade je bázovou adresou práve vykonávaná inštrukcia a úlohu bázového registra hrá počítadlo inštrukcii IP. Autorelatívne adresovanie sa najčastejšie používa u skokových inštrukcii.

Segmentové adresovanie. Segmenty sú súvislé, funkčné samostatné úseky programov alebo polí dát, ktoré sa uchovávajú vo vonkajšej veľkokapacitnej pamäti a len podľa potreby sa presunú do hlavnej pamäti (dynamické premiestňovanie jednotlivých častí programu alebo dát).

Indexové adresovanie. Je to veľmi užitočná modifikácia relatívneho adresovania. Je založená na použití tzv. indexového registra, čo je bázový register upravený tak, že sa po použití automaticky inkrementuje alebo dekremnetuje.
 

Mikroprocesor podporuje požitie 5 typov operandov: obsah registra, priamy operand a 3 spôsoby adries pamäti:

• operand v registi, napríklad mov ax,bx => [BX] -> AX.
• priamy operand, napríklad mov ax, 1234 => 1234 -> AX.
• priama adresa, napríklad mov ax, [1000H] => DS:[1000H] -> AX.
• nepriama bázová adresa - (využíva BX, poprípade BP a konštantu). Offsetová adresa je určená súčtom obsahu bázového registra a konštanty, napríklad mov ax, [bx] => DS:[BX} -> AX
• nepriama indexová adresa - (využíva DI, poprípade SI a konštantu). Offsetová adresa je určená súčtom obsahu indexového registra a konštanty, napríklad kombinované bázovo - indexové adresovanie : mov ax,[1000H+si+bx] => DS:([BX]+[SI]+1000H) -> AX => v registri BX je začiatok dynamického poľa, v registri SI je adresa prvku v dynamickej oblasti a konštanta 1000H predstavuje ďalší posuv offsetu.

	Obr. 24. Priame adresovanie (vhodné pre adresovanie jednoduchých operandov - bajtov alebo slov) pomocou posunutia (displacement)
.

	Obr. 25. Adresovanie pomocou obsahu regista {BX} a obsahu regista {BP}.

	Obr. 26. Adresovanie pomocou [BX+SI], resp. pomocou [BP+SI].

	Obr. 27. Adresovanie {BX+disp} pomocou obsahu regista BX a posunutia disp, resp. {BP+disp} pomocou obsahu regista BPa posunutia disp.

	Obr.28. Adresovací mód [BX+SI+disp].
	Obr.29. Adresovací mód [BP+SI+disp].

Fyzická organizácia pamäti

• adresovej (Address Bus - AB);
• datovej (Data Bus - DB).

Obr. 30. Segmentované adresovanie fyzickej pamäte.
	Obr.31. Prevod logickej adresy na fyzickú.

V počiatkoch počítačovej éry, keď pamäte boli drahé, bolo možné pomocou 20 bitovej adresovej zbernica počítača s CPU 8086 adresovať 1MB buniek (realny mód 8086). Pretože v CPU 8086 sa požívali 16 bitové registre, tak sa ujal spôsob segmentovej adresy, ktorý umožnil spočítaním obsahu 16 bit registra s posunutím z iného registra vytvoriť potrebnú 20 bitovú adresu, tzv logickú adresu. Štandardný zápis logickej adresy je Segment:Offset. Pri 16 - bitových registroch je segment blok pamäte, ktorý má veľkosť 64 kB a offset predstavuje adresu, pomocou ktorej sa možno pohybovať v danom segmente, teda v bloku 64 kB. Segmenty sa môžu aj prekrývať v programoch s príponou *.com. Tento typ programov môže mať maximálnu veľkosť 64 kB (1 segment). S tohoto dôvodu u programu s príponou *.com musia všetky segmenty začínať na tej istej adrese ( u programov s príponou *.exe neplatí toto obmedzenie).

Pretože zápis 1000H:1F00H , 11F0H:0H , 1100H:0F00H a dokonca 1080H:1700H zodpovedá tej istej pamäťovej bunke, používa sa zápis v tvare tzv normalizovanej adresy, v ktorej má segment 16 bitovú hodnotu a offset je v rozmedzí 0 až FH.

Hlavnou výhodou segmentácie je jednoduché premiestňovanie programových modulov. Pritom sa používa na určenie adresy prístupu do pamäti kombinácia obsahu:

• CS(Code), DS(Data), ES(Extra), SS(Stack) na špecifikovanie adresy segmentu;
• BX, BP ako báza, základná adresa v segmente;
• SI, DI ako index pri prenose skupín dát;
• displacement D8, D16 ako 8, 16 bit relatívne posunutie ukazovateľa.

Napríklad ak obsah {BX} = 10H je výsledný offset v efektívnej adrese 10H +{BX} = 20H. V príkladoch nasledujúcich inštrukcii mov al,[bx,si,D8] a mov AL,ES:[BX+SI+D8] majú "+" a "," v zátvorke [ ] rovnaký význam. (Nerozlišujú sa tiež znaky malej a veľkej abecedy). V prvej inštrukcii špecifikácia Intel implicitne predpokladá offset dát spojený so segmentom DS, v druhej inštrukcii je pomocou predpony - overide prefixu zadefinovaná väzba na iný segment ES.

Príklad určenia výslednej fyzickej adresy FFFF:0000H = F000:FFF0H, pomocou logickej adresy
zloženej zo segmentu a posunutia (offsetu):
 

segment:FFFF0H  F0000H offset  +0000H  +FFF0H fyzicky:FFFF0H  FFFF0H
Obr. 32. Prevod logickej adresy na fyzickú v reálnom móde.

 

	Obr. 33. Prevod logickej adresy na fyzickú v chránenom (protected ) a rozšírenom (enhanced) móde.

Virtuálna pamäť

Selektor na bunku 0038H reprezentuje index do tabuľky segmentových deskriptorov so základnou adresou segmentu 012340H . Táto adresa sa štandardným adresovacím spôsobom pripočíta k offsetu 4321H na výslednú fyzickú adresu 016661H.

S použitím tabuľky segmentových desktriptorov sa vytvára možnosť adresovať väčší adresový priestor, ako je použiteľná pamäť na základe fyzického adresovania ( pre 32 bitový procesor adresovanie 2³² = 4GB ). Virtuálny adresný priestor má kapacitu 4GB*16kB= 64TB.

Virtuálne adresy nie sú nutne identické s adresami fyzickej pamäte, avšak počas práce procesora je každá virtuálna adresa transformovaná na fyzickú adresu. Vďaka takémuto dynamickému prekladu adries môže byť architektúra softwarového systému nezávislá na architektúre konkrétneho hardwardového systému. Toto priradenie virtuálnej a fyzickej adresy sa nerealizuje pre každý bajt, lebo by príslušná tabuľka pre preklad bola enormne objemná. Pamäťové bunky sú preto pozhlukované do pamäťových blokov. Ak sú bloky rovnako veľké nazývajú sa stránky a správa virtuálnej pamäte sa nazýva stránkovanie pamäte.

Ak je operačná pamäť dostatočne veľká na pojatie stránok so segmentmi programu a najčastejšie používanými dátami je virtuálna pamäťová schéma účinná a pomerne rýchla. Ak nie sú v operačnej pamäti momentálne k dispozícii potrebné dáta alebo potrebná časť programu treba ich zaviesť do hlavnej pamäti so sekundárnej pamäti, ale až potom, keď sa presunom vytvorí potrebný priestor => swapping (výmena) na základe žiadosti (demand).

Pri častom vymeňovaní vzniká fragmentácia pamäti (na malé množstvo kúskov pamäti lebo praktická veľkosť typickej stránky 512 bajt << ako veľkosť segmentu). Problém nastáva hlavne pri multitaskingu, keď sa môže veľká časť strojového času počítača spotrebovávať už len na swapping.

Správa pamäti

Druhou dôležitou úlohou jednotky správy pamäti je zabezpečenie ochrany pamäti. V modernom operačnom systéme môže pracovať zároveň niekoľko programov. Jednotka správy pamäti musí zabrániť vzájomné narušenie činnosti bežiacich programov a operačného systému.

Ďalšia doplnková literatúra o mikroprocesoroch (anglicky, v zazipovanom tvare):

• FAQ 80486;
• zoznam odkazov na ďalšie zdroje.

Postup technologického vývoja mikroprocesorov

Mikroprocesory Intel

Intel bol prvou spoločnosťou, ktorá dala svetu polovodičovú súčiastku pod týmto názvom. V roku 1968 prevzal objednávku od japonskej spoločnosti Busicom, ktorá sa zaoberala výrobou kalkulačiek. Intel mal podľa dohody vyvinúť súpravu čípov, ktoré by Busicomu umožnili skonštruovať jednoduchšiu kalkulačku na báze programom modifikovateľného integrovaného obvodu. Keď bol čip hotový Busicom oň stratila záujem a tak sa v Inteli rozhodli dať novinku k dispozícii ostatným výrobcom. Tak sa v roku 1971 novinka pod označením i4004 stala prvým mikroprocesorom. Obvod bol vyrábaný technológiou 10um a obsahoval 2300 tranzistorov.

Postupne sa dostávali an trh aj mikroprocesory ďalších výrobcov. K strategickému úspechu mikroprocesorov pomohlo spojenie IBM a Microsoftu, ktoré použilo mikroprocesory Intel s architektúrou x86 za základ štandardu PC.

Mikroprocesory sa neustále vyvíjajú, pravidelne sa objavujú nové rady, sústavne dochádza k inovácii existujúcich typov. Mikroprocesory firmy Intel sa stali etalónom pre porovnávanie mikroprocesorov ostatných výrobcov. Dôležitou vlastnosťou radu Intel 80x86 je ich spätná kompatibilita. Nový mikroprocesor si tak so sebou nesie "záťaž" staršieho riešenia, ale je zároveň schopný pracovať s programami určenými pre jeho predchodcov. Užívateľ takto aj po inovácii svojho PC môže aj naďalej používať programy, na ktoré si zvykol.

Z historického pohľadu predstavujú nasledovné typy medzníky vo vývoji PC:

• 4004 - 4 bitový mikroprocesor orientovaný na prácu s číslami BCD a na logické funkcie.
• 8008 - inteligentný terminál v r. 1972:
• 8080 - v r. 1974 s 8 bitovou paralelnou štruktúrou - 5000 tranzistorov.

• 8086 -1978 16 bitovou architektúrou (aj vnútornou aj externou, na rozdiel od 8088 s vonkajšou 8 bitovou dátovou zbernicou) umožňujúci spracovávať maximálne 16 bitové čísla a 20 bitovou adresovacou zbernicou, ktorá dokáže adresovať pamäťový priestor o kapacite 1MB. Táto adresa je tvorená z dvoch 16 bitových zložiek označovaných segment a offset. Tieto sa spočítajú posunuté o 4 bity. Takto je vytvorená 20 bitová adresa. Vyrábal sa v prevedení DIL 40 a zodpovedá ekvivalentnému počtu 29000 tranzistorov. 8086 bol prvým 16 bitovým mikroprocesorom Intelu. Stal sa základom rady 80x86.
• 8088 bol zjednodušenou variantou 8086, s 8 bitovou dátovou zbernicou. Bol použitý u prvých IBM PC - PC XT.

80386 v roku 1981 Intel prvý variant 32 bitového mikroprocesora, avšak až v roku 1986 skutočný model 80386 DX ako procesor s 32 bitovou adresovou a dátovou zbernicou. O 3 roky neskôr jeho modifikácia 80386 SX, ktorý má vnútornú reprezentáciu dát 32 bit ale navonok má vyvedenú 16 bitovú dátovú zbernicu, ako náhrada modelu 80286. Procesor 80386 DX obsahuje 275 000 tranzistorov a je uložený do puzdra PGA (Pin Grid Array) s 132 vývodmi, čo umožňuje vyviesť oddelene dátovú a adresovú zbernicu. Vyhovoval sa v prevedení pre hodinovú frekvenciu 20, 25, a 33 MHz. Medzi významné vlastnosti procesora 80386 patrí prúdové spracovanie inštrukcii. V štruktúre mikroprocesora k tomu slúžia dve fronty inštrukcii:
 

q	Fronta obsahujúca 16 bajtov inštrukcii, tak ako sú prečítané z pamäti
q	Fronta obsahujúca 3 dekódované inštrukcie, pripravené k vykonaniu.

Aritmeticko-logická jednotka ALU okrem bežne používanej sčítačky obsahuje aj násobičku, deličku a posúvač. Operandy môžu mať dĺžku 8, 16 alebo 32 bitov. Na čípe ALU je realizovaná tiež jednotka riadenia pamäti, v ktorej sa prekladajú virtuálne adresy na reálne.

Ochrana pamäti je štvorúrovňová, rovnako ako u 80286. Reálne adresy majú 32 bitov, takže možno priamo adresovať 4 GB pamäti, zatiaľ čo virtuálne adresy pri dĺžke 46 bitov umožňujú adresovať 64 TB.

Mikroprocesor 80386 umožňuje simultánne použitie niekoľkých operačných systémov.

80486 DX v roku 1989 v puzdre PGA s 168 vývodmi, obsahujúci 1,2 milióna tranzistorov, ktorý môže pracovať pri frekvenciách 25, 33, 40 alebo 50 MHz. V podstate sa jedná o vylepšený 80386 s internou pamäťou cache (8 kB spoločnú pre dáta a inštrukcie), zabudovaným numerickým kooprocesorom 80387 a s upravenou ALU pre operácie s pohyblivou rádovou čiarkou.

Vzhľadom na to, že inštrukcie sú zavádzané prúdove, je tento mikroprocesor schopný vykonávať niektoré inštrukcie v jednom cykle.

Mikroprocesor má inštrukcie pre multiprocesorový režim a prostriedky pre pripojenie cache druhej úrovne.

V mikroprocesoroch 80486 sa tiež používa technika zdvojovania frekvencie označovaná DX-2 (overdrive). Číp navonok pracuje s polovičnou frekvenciou, než akú udáva výrobca v dokumentácii. Napríklad procesor 80486DX2/66MHz pracuje vnútorne s touto frekvenciou, ale navonok je jeho frekvencia polovičná, t.j. 33 MHz. Vďaka tomuto riešeniu je možné, aby všetky operácie, ktoré sa vykonávajú vovnútri procesora (napr. numerický výpočet, alebo vnútriprocesorové presuny dát) prebehli s dvojnásobnou frekvenciou. Len externé operácie, ako sú napr. presuny dát do (z) operačnej pamäti prebiehajú s rovnakou rýchlosťou ako u obyčajného procesora 80486. Ešte výkonnejší procesor 80486DX4/100MHz pracuje vnútorne s frekvenciou 100MHz a externe s frekvenciou 25 MHz. Ďalšim rozdielom je aj znížené napájacie napätie na 3,3 V.

Pentium  

Mikroprocesor, ktorý dostal označenie Pentium sa pôvodne mal volať i80586, na základe dovtedy používanej konvencie označovania procesorov Intel. Pred uvedením nového mikroprocesora viedla spoločnosť Intel so spoločnosťou AMD súdny spor, ktorého predmetom bola otázka ochrany označenia mikroprocesora. AMD totiž uviedla na trh mikroprocesory am486, ktorých označenie sa od mikroprocesorov rovnakej rodiny líšilo len mierne. Verdikt súdu znamenal víťazstvo AMD. Intel na odlíšenie svojich mikroprocesorov od výrobkov ďalších výrobcov ktoré malo v konečnom dôsledku vplyv na cenu výrobkov osadených týmto procesorom) pomenoval novinku piatej generácie mikroprocesorov ako Pentium.

Pentium z roku 1993 bol vyrobený technológiou 0,8 um, obsahoval 3,1 milióna tranzistorov a na trh sa dostal v dvoch verziach, líšiacich sa pracovnou frekvenciou - 66MHz a 25MHz. Mikroprocesor sa líšil od 486 rozšírením dátovej zbernice z 32 na 64 bit a dostal nové púzdro, ktoré sa však v histórii rodiny niekoľko krát menilo. Slot - vhodný pre mikroprocesory s veľkou pamäťou cache a pre servery, v ktorom má mikroprocesor má tvar karty a podobá sa na rozširujúci slot; Socket - pätica určená pre lacnejšie systémy; system on a chip - koncepcia uP integrujúca prakticky všetky dôležité komponenty potrebné pre konštrukciu počítača vrátane grafického adaptéra do spoločného púzdra.) Procesor mal pri frekvencii 66 MHz má spotrebu 16W a z tohto dôvodu bolo u neskoršich verzii znížené napájacie napätie z 5 V na 3,3 V.

V Pentiu sa  inštrukcii z pamäti cache presúvajú v šírke 256 bitov do fronty, ktorej plnenie ovplyvňuje blok predikcie skoku. Jeho úlohou je naplniť frontu tak, aby k vykonaniu boli pripravené inštrukcie ktoré nasledujú v pamäti, alebo inštrukcie z cieľovej adresy skoku.

U viacerých inštrukcii výrobca upustil od predtým používanej mikroprogramovej realizácie (program je zostavený z mikroinštrukcii podľa algoritmu požadovanej operácie), takže sa inštrukcie môžu vykonať v jednom takte. Spôsob, ktorým sa táto jednotaktová inštrukcia realizuje sa nazýva zreťazené spracovanie inštrukcii (pipelining).

Procesory Pentium s technológiou MMX obsahujú 4,5 miliona tranzistorov dovoľujú dodať vyšší výkon s nižšou spotrebou elektrickej energie. Okrem posilnenia inštrukciami MMX je procesor vybavený aj 32 kB pamäťou cache. Technológia MMX využíva techniky SIMD (Single Instrukction Multiple Data), ktorá dovoľuje spracovávať mnoho informácii počas jednej inštrukcie. Možnosti MMX technológie sa využívajú predovšetkým pri spracovaní videa a zvuku, pri 3D grafike, pri rozpoznávaní reči, pri komresii dát a pod.

Pentium Pro (P6, 686) má viac ako dvojnásobný výkon než najrýchlejšie Pentium. Tento nárast umožňuje nový design procesora so štyrmi zreťazeniami (pipelines) na paralelné spracovanie príkazov a tiež integrovaná primárna a sekundárna medzipamäť cache. Pentium Pro má možnosť špekulatívneho vykonávania inštrukcii mimo poradie, ktoré sa uplatňuje napr. v prípade zistenia, že požadované dáta nie sú ešte vo vyrovnávacej pamäti. V takomto prípade Pentium Pro nečaká až budú dáta načítané z pomalšej pamäti, ale začne vykonávať ďalšie inštrukcie do tej doby, až budú informácie prístupné. Takto môže Pentium Pro odložiť vykonanie až 4 inštrukcii. Podobne postupuje procesor aj v prípade inštrukcie, ktorá závisí od výpočtu požadovaného operandu.

Okrem toho Intel u Pentia Pro zaviedol aj nový zbernicový systém, umožňujúci komunikovať až 4 procesorom Pentium Pro, ktoré majú logiku multiprocesingu nasadenú do každého čípu.

Obr. 33b Zjednodušené blokové schéma procesora Pentium Pro.

Vnútorná stavba nového procesora sa skladá z dvoch oddelených čípov (obr. 33b). Na jednej kremíkovej doštičke čípu je umiestnené vlastné jadro procesora a primárna procesorová cache (L1 cache). Na druhej doštičke je umiestnená sekundárna cache (L2 cache). Jedná sa o externú pamäť o kapacite 256kB (512 kB) priamo v puzdre procesora. Na oboch kremíkových doštičkách je okolo 6 milióna tranzistorov.

Jadro procesora Pentium pro sa zásadne odlišuje od jadra Pentia. Už v Pentiu sa začalo s nahradzovaním komplexných príkazov jednoduchšími príkazmi RISC (Reduced Instruction Set Computer). Príkazy redukovaného inštrukčného súboru sú rýchlejšie spracovávané v dvoch paralelných zreťazených cestách pipeline. V Pentiu Pro sú nasadené 4 takéto zreťazenia pipeline.

Procesor sa umiestňuje do 387 pinovej pätice socket 8 ZIF (nulová zasunovacia sila) s chladičom.

Spoločne s procesorom Pentium Pro sa objavili nové zbernicové architektúry, v ktorých zbernica PCI predstavuje most cez ktorý môžu byť napojené ďalšie rozhrania klasických PC ako periférie ISA a EISA.

Snahou Intelu (a tiež ďalšich výrobcov) je znížiť doterajšie napájacie napätia z hodnoty 3,3 V na 2,8 V a tak zmenšiť stratový výkon (pri frekvencii 150 MHz dosahuje 28W). Snahou výrobcov procesorov je dosiahnutie rýchlosti 250 až 300 MIPS a u systému so 4 procesormi Pentium Pro dosiahnuť až 1000 MIPS.

Hoci Pentium Pro zvláda všetky príkazy sady 80x86 nie je oprimalizovaný pre 16 bitové programy, v dôsledku čoho pre vykonanie niektorých príkazov ich nedokáže rozložiť na fázy pipelingu a príkaz sa vykoná "starým spôsobom", t.j. pomalšie.

Mikroprocesor Pentium prešiel v rokoch 1993 - 2003 postupne 57 inovačnými verziami (10x Pentium, 4x Pentium MMX, 7x Pentium II, 16x Pentium III, 20x Pentium 4 - nesie v názve arabskú číslicu) pre desktopy, servery i mobilné počítače. Nástup technológie HyperThreading umožnil ďalšie zvyšovanie frekvencie systémovej zbernice (500 - 800 MHz). Potenciál aktuálnej architektúry umožní používanie ešte vyššej pracovnej frekvencie (3,4 až 4 GHz).

Stále ešte platí známy Moorov zákon, podľa ktorého sa výkon procesorov zdvojnásobuje každých 18 mesiacov. Zvyšovanie výpočtového výkonu mikroprocesorov sa uberá cestou zvyšovania frekvencie jadra mikroprocesora - dôsledok čoho je nárast veľkosti čípu a spotreby (resp. potreba mohutnejšieho, najčastejšie medeného chladiča s väčším počtom rebier). Koncom roku 2002 sa objavili na trhu mikroprocesory s frekvenciou jadra v oblasti 3GHz. Napríklad Intel Pentium 4 (Nortwood) s frekvenciou jadra 3,08GHz, frekvenciou zbernice 533MHz, L2 Cache 512 kB, v ktorom je 55 miliónov tranzistorov rozmiestnených pomocou technológie 0,13um na ploche 127 mm². (Pre porovnanie procesor Pentium Pro bol založený na technológii 0,35 mm, Pentia 3 boli vyrábané 0,25 mm technológiou a Pentia 4 sa začali vyrábať pomocou tzv. 0,18 mm technológie. Nová technológia bright-peak, ktorá pri výrobe masky umožňuje základné elementy zmenšiť na 20nm (namiesto doterajšich 90nm. Okolo roku 2007 by sa mali objaviť v sériovej výrobe nové super rýchle tranzistory z kremíka, v ktorých hrúbka hradla nepresahuje 20nm, čo umožní ďalšie niekoľkonásobné zvýšenie počtu tranzistorov na čípe.) Kým na pokorenie prvého gigahertza potreboval mikroprocesorový priemysel dvadsaťpäť rokov (1974 - 2000), druhý zvládol za 17 mesiacov (marec 2000 - august 2001) a na prekonanie hranice troch megahertzov už to bolo iba 15 mesiacov (august 2001 - november 2002.) 

Pentium 4

Pentium 4 (nesie v názve arabskú číslicu) predstavuje zásadnú zmenu v porovnaní s predošlými mikroprocesormi (napr. Pentium III, založenými na mikro architektúre P6) . Nová architektúra Intelu nesie označenie NetBurst s kľúčovými črtami:

400 MHz zbernica

Pentium 4 komunikuje s okolím prostredníctvom 64- bitovej zbernice. Na rozdiel od Pentia III, ktoré využíva 133 MHz zbernicu sa v Pentiu 4 nezvyšuje frekvencia, na ktorej pracuje systémová zbernica, ale mení sa režim jej činnosti. Podobne ako v AGP sa používa viacnásobný prenos údajov v jednom hodinovom cykle. Zbernica síce pracuje na rovnakej frekvencii (100 - 133 MHz) ako u starších mikroprocesorov, ale prenáša údaje 4x za cyklus

Hyper pipelined

Pre porovnanie klasický mikroprocesor pracoval tak, že najprv bola inštrukcia z pamäte zavedená do mikroprocesora, následne ten ju počas niekoľkých hodinových cyklov vykonal. Po jej spracovaní bola zase z pamäte zavedená ďalšia inštrukcia - teda prevažnú časť strojového času mikroprocesora zostávala nevyťažená. Koncepcia pipeline umožňuje "rozfázovanie" spracovania jednotlivých inštrukcii tak, že do mikroprocesora sa zavádzajú ďalšie inštrukcie ešte pred dokončením spracovania už zavedených inštrukcii. Postupne teda prebieha dekódovanie, premenovanie registrov, zavedenie do výkonných jednotiek a zápis výsledkov. Počet "fáz", v ktorých spracovanie inštrukcii prebieha, sa označuje ako počet stupňov pipeline. Napr. Pentia mali 6 stupňovú pipeline a Hyper Pipeline Pentia 4 disponuje 20 stupňovou pipeline. V súvislosti s takouto "dlhou" pipeline treba zabezpečiť, aby riziko nesprávneho predpovedania výsledku podmienených skokov či vetvenia programu, ktoré sa nerealizujú, neznamenali pokles výkonu mikroprocesora. Minimalizáciu výskytov takýchto prípadov zabezpečuje Advanced Branch Prediction.

Advanced Transfer Cache

V Pentiu 4 je implementovaná 256 - bitová zbernica prepájajúca L2 cache s dátovou časťou cache L1. Kým primárna cache L1 v Pentiu III disponovala 16 KB pre údaje a 16 KB pre inštrukcie v Pentiu 4 má L1 pre údaje 8KB a inštrukčná časť bola nahradená novou jednotkou Execution Trace Cache, ktorá vďaka zmenej mikrooperačnej štruktúre má porovnateľnú veľkosť cache až 96KB. Koncepcia Execution Trace Cache s integrovanou jednotkou registra predpovede skokov s kapacitou č4096 záznamov prispieva k zníženiu rizika, ktoré predstavuje extrémne dlhá pipeline. Realizovanie pipeline na úrovni dekódera inštrukcii umožňuje v priebehu jedného hodinového cyklu vygenerovať šesť mikroinštrukcii.

Hardware Data Prefetch

Táto jednotka analyzuje tok medzi údajovou L1 a L2 pamäťmi a v prípade vybraných inštrukcii automaticky začne naplňovať údajovú L1 potrebnými údajmi, čo má vplyv najmä na výkon mikroprocesora pri práci s rozsiahlymi údajovými poľami.

Rapid Execution Engine

Pentium 4 disponuje 7 výkonnými jednotkami, pričom štvorica z nich je zdvojená (2xALU, 2xAGU). Na rozdiel od ostatných výkonných jednotiek, ktoré pracujú na rovnakej frekvencii ako zvyšok mikroprocesora dvojica ALU, ktoré sú určené na spracovanie jednoduchých inštrukcii a dvojica AGU využívajú zrýchlené dvojfázové ovládanie hodinového cyklu.

Inštrukcie

Pentium 4 prináša rozšírenie súboru inštrukcii, ktoré sa používajú pri spracovaní multimediálnych aplikácii a inštrukcii rozširujúcich možnosti spracovania čísel s plávajúcou desatinou čiarkou. Nový súbor inštrukcii (SSE2) obsahuje spolu 144 nových inštrukcii, ktoré podporujú prácu s údajmi v komprimovanej podobe, pričom sa využíva 128 - bitový formát údajov.

Moderné mikroprocesory - zhrnutie

Staršie PC (až po 80486) používali sekvenčné spracovávanie inštrukcii, teda jednu po druhej. Moderné riešenia (Pentium, Pentium Pro) sa vyznačujú superskalárnou architektúrou, ktorá dokáže spracovávať niekoľko inštrukcii naraz. Superskalárnosť možno dosiahnuť rôzne - buď zdvojením niektorých funkčných celkov (Pentium), alebo premysleným návrhom mikroprocesora, vďaka ktorému môžu jednotlivé celky pracovať nezávisle na sebe (Power PC). Ani superskalárny mikroprocesor nemôže vždy paralelne spracovávať inštrukcie. Pokiaľ napríklad v programe nasledujú dve inštrukcie, z ktorých prvá pripraví údaje pre druhú, musia sa spracovávať sekvenčne.

Druhým zrýchľujúcim prvkom mikroprocesora je pipelining. Jedná sa o mechanizmus, vďaka ktorému môžu aj nesuperskalárne mikroprocesory v skutočnosti spracovávať viac inštrukcii naraz. Spracovanie každej inštrukcie sa rozloží na viac fáz (dekódovanie, vyhľadávanie parametrov atď.) . Akonáhle je jedna fáza inštrukcie hotová, postúpi táto inštrukcie do ďalšej fáze. Uvoľnenú fázu začne používať nasledujúca inštrukcia. Celý proces pripomína pásovú výrobu, kde do jednotlivých výrobných fáz vchádza jeden výrobok za druhým.

2. Zrýchlenie komunikácie procesora s hlavnou pamäťou a s grafickým systémom 

Čoraz vyššie nároky na výkon procesora pri spracovaní trojrozmernej grafiky a multimediálnych aplikácii odhaľujú slabé miesta v architektúre procesorov generácie Pentium. Firma Intel v snahe zrýchliť komunikáciu procesora s hlavnou pamäťou a s grafickým systémom zaviedla v generácii Pentium II niekoľko technologických noviniek:

• DIB (Dual Independent Bus) - duálnu nezávislú zbernicu s nasledujúcimi charakteristikami:

• Dve nezávislé zbernice - jedna k sekundárnej pamäti, druhá systémová od procesora k hlavnej pamäti.
• Procesor môže používať obe zbernice súčasne, čo samo o sebe zdvojnásobuje tok dát do a z procesora.
• Oddelenie zbernice sekundárnej cache umožňuje , aby táto lokálna zbernica pracovala na dvojnásobnej taktovacej frekvencii oproti systémovej zbernici a zároveň umožňuje použiť zvýšenú frekvenciu pre sekundárnu cache úmerne so zvyšovaním frekvencie procesora. (Zbernica PCI s frekvenciou 66 MHz zvládne takto obsluhu menej slotov (maximálne len 2 slotov v porovnaní s 10 slotmi, ktoré by zvládla pri frekvencii 33 MHz, aká sa používa na systémovej zbernici kvôli pomalším prídavným zariadeniam).
• Pri spracovaní údajov cez systémovú zbernicu používa procesor pipelining, čo umožňuje súčasné paralelné transakcie namiesto zvyčajných sekvenčných.

• AGP (Accelerated Graphics Port) - oddelené pripojenie grafického subsystému postavené na špecifikácii PCI 2.1. (Obojstranný prenos informácii po zbernici, riadenie operácie čítania a ovládania DMA, pričom všetko prebieha paralelne s prácou v hlavnej PCI zbernici, ktorá pracuje s taktovacou frekvenciou 66 MHz (pritom samotný procesor používa hodinovú frekvenciu > 200 MHz so zdokonalenou internou cache a cache L2 druhej úrovne). Na zbernici AGP sa zdvojujú prenosy v rámci jedného hodinového cyklu.  Na obr. 35 pri použití taktovacej frekvencie 66 MHz sa tým dosahuje dvojnásobná efektívna frekvencia 133 MHz a maximálna priepustnosť 528 MBps F grafické akcelerátory v kapitole o video)

• SEC (Single Edge Contact) - vonkajšie vyhotovenie púzdra Pentia II nepoužíva les nožičiek kontaktov, ktoré sa zasúvajú do dierok na základnej doske, ale má kontakty rozmiestnené na bokoch púzdra.:

• Prínos multimedálnych inštrukcii

• Integrované spracovanie inštrukcii

So zvyšovaním frekvencie (Pentium III používa internú frekvenciu 800 MHz, Pentium 4  až 3GHz) a zmenou architektúry procesorov sa mení aj spôsob pripojenia procesora. S doposiaľ (v Pentiu) používanej pätice (Socket 7 s 296 vývodmi pre architektúru s jedinou zbernicou o šírke 64 bitov, ktorá môže pracovať pri maximálnej frekvencii 66 MHz, Socket 8 s 387 vývodmi a integrovanou pamäťou cache L2, ktorá pracuje na rovnakej frekvencii ako jadro mikroprocesora a ktorá komunikáciu medzi procesorom a pamäťou cache uskutočňuje cez samostatnú zbernicu, čím nezaťažuje systémovú zbernicu) sa stáva slot (konektor - Slot I a Slot II) a z integrovaného obvodu označovaného termínom mikroprocesor  v úpravách Pentia Pro a Pentia II sa stáva modul, združujúci niekoľko integrovaných obvodov.
 

Napríklad základné dosky s päticou pre mikroprocesorový modul:

• Soket 7 (poprípade vylepšeným variantom označovaným ako Super 7), so 64bitovou dátovou zbernicou, podporujúca pracovnú frekvenciu 100MHz, pamäte SDRAM, zbernicu AGP a rozhranie USB;
• Slot 1 (pre mikroprocesory Celeron, Pentium II a Pentium III) so zvýšenou priepustnosťou zbernice do pamäte cache druhej úrovne, nakoľko zbernica a pamäť cache sú integrované priamo na mikroprocesosorovom module a pracujú s vysokou frekvenciou ;
• Socket 370  (zo systémového hľadiska odvodený zo Slotu 1 s iným počtom a rozmiestnením vývodov (rovnaku ako u Slotu 1 pamäť cache pracuje na rovnakej frekvencii 300 - 466 MHz ako mikroprocesor).

Obr. 34. Modul mikroprocesora v novej architektúre, ktorý sa k systémovej zbernici pripája cez konektor socket 7.

Významnú úlohu vo výkone počítača má veľkosť a typ pamäte cache. Cache pamäť je rýchla statická pamäť RAM, do ktorej sú ukladané údaje pred zápisom do pomalšieho zariadenia. Pri základných doskách s procesorom radu Pentium je to cache 2 úrovne (L2), ktorá sprostredkováva rýchlejší prístup procesora k operačnej pamäti a na periférie. Základná doska pre procesor Pentium II neobsahuje pamäť cache ale sa využíva pamäť cache integrovaná na doštičke s procesorom, ktorý sa pripája pomocou slotu 1. Integrovaná pamäť cache L2 má veľkosť 256 až 512 kB. Podobný princíp využiva aj pamäť cache prvej úrovne (L1 o veľkosti 16 až 64 kB), ktorá je integrovaná v procesoroch. Niektoré kontoléry periférii, z dôvodov rýchleho prístupu používajú aj pamäť cache, zloženú z modulov RAM s kapacitou 4MB a viac. Na podobnom princípe pracuje aj softwarová pamäť cache v operačnom systéme DOS (SmartDrive)
 

Obr. 35 Bloková schéma architektúry systému s procesorom K6 firmy AMD. Pamäť cache L2 je pripojená na centrálnu zbernicu s frekvenciou 100MHz. Súčasťou karty mikroprocesora je aj SDRAM a AGP, ktoré sú pripojené k procesoru pomocou špeciálnej zbernice rozhrania I.

4. Integrácia PC do čípu

Druhým dôvodom je zvyšovanie výkonnosti počítačov. V klasických počítačových systémoch, kde pracuje procesor na vysokej pracovnej frekvencii, pri požiadavke na operáciu s údajmi v pamäti či na grafickej karte, keď je potrebné na ich presun z a do mikroprocesora využiť niekoľko rozhraní a pomalé zbernice, ktorých pracovné frekvencie sú o viac ako polovicu nižšie ako pracovná frekvencia mikroprocesora takže limitujú výslednú rýchlosť prenosu. Nevýhoda takéhoto riešenia (obr. 36) je potom nižší výkon, lebo mikroprocesor musí časť svojho výkonu "obetovať" na emuláciu niektorých funkcii jednotlivých zariadení. Príkladom nového typu procesora môže služiť mikroprocesor MediaGX firmy National Semiconductor (Cyrix) na obr. 37.
 
 

Obr. 36 Príklad architektúry klasického počítačového systému súčasnosti. (Tmavšie bloky: Kontrolér pamäte + L2 cache, CPU - PCI most, VGA karta, zvuková karta sú integrované v systémoch s moderným mikroprocesorom, napríklad firmy Cyrix a AMD). CPU je spojený cez systémovú zbernicu s pamäťou a s L2 cache pomocou kontroléra pamäti a s ostatnými komponentami ho spája PCI most.

 

Obr. 37. Architektúra počítačového systému s mikroprocesorom ("Všetko v jednom") MediaGX. (PCI sloty a ISA sloty nemusia byť integrované v systéme). Technologia XpressRAM dovoľuje vypustiť kontrolér pamäti a sekundárnu cache. Procesor pracuje podstatne efektívnejšie s operačnou pamäťou, bez zbytočných presunov údajov po zbernici, lebo presuny sa realizujú priamo v procesore. Ďalšia technológia - XpressGRAPHICS funguje ako špecializovaný grafický procesor, takže takýto systém nepotrebuje grafickú kartu a video pamäť. Technológia XpressAudiopreberá funkciu zvukovej karty.

5. HyperThreading - cesta k zvyšovaniu výkonu mikroprocesora

Jednou z možností ako ďalej zvýšiť výkonnosť mikroprocesorov je využitie skutočnosti, že súčasné operačné systémy umožňujú súbežný beh viacerých aplikácii - multitasking a niektoré aplikácie aj interne využívajú súbežné spracovanie kódu - multithreading.

Zdvojnásobnením počtu výpočtových jednotiek sa nedá lineárne zvyšovať výkon, pretože nie je možné prakticky dosiahnuť, aby v každom inštrukčnom cykle spracovával mikroprocesor rovnaký počet inštrukcii. Obmedzením paralelizmu pri spracovaní je samotný spracovaný programový kód. Dokonca ani jeho optimalizáciou nie je možné dosiahnuť ideálny stav - naplnenie všetkých výkonových jednotiek. Mikroprocesor Pentium 4 okrem prekročenia frekvencie 3GHz priniesol ďalšie zvýšenie výkonu vďaka podpore technológie HyperThreading. 
 

MP- mikroprocesor LP - logické procesory (v operačnom systéme) Obr. 37b. Porovnanie činnosti klasického mikroprocesora s mikroprocesorom podporujúcim HyperThreading, z ktorého je zrejmý princíp nárastu výkonnosti mikroprocesora

Princíp činnosti mikroprocesora s podporou HyperThreadingu spočíva v tom, že mikroprocesor sa pre operačný systém i pre aplikácie tvári, akoby obsahoval dve jadrá. (Obr. 37c-b. V súčasnosti je podpora HyperThredingu sprístupnená pre OS Windows XP a Linux). Štruktúra mikroprocesora však zostáva nezmenená pokiaľ ide o výkonové jednotky, obvody spolupráce s pamäťami a samotnú cache. Prepracovaná, presnejšie zdvojená, je však časť jadra mikroprocesora (registre a stavový vektor), určujúca aktuálny stav výpočtového procesu. 

Vďaka tejto úprave možno veľmi rýchlo (jeden cyklus) a efektívne prepínať medzi jednotlivými treadmi. To je vhodné napríklad vtedy, ak jedna z úloh čaká na údaje z hlavnej pamäte. Takáto manipulácia je možná s každou výkonovou jednotkou. V podstate je tento princíp možné prirovnať k vypĺňaniu medzier. V momente, keď jedna úloha nie je schopná obsadiť všetky výkonné jednotky, je voľný priestor daný k dispozícii druhej úlohe (Obr. 37b-b)
 

Obr. 37c. Porovnanie "plnohodnotného" dvojprocesorového systému (a) so systémom využívajúcim mikroprocesor s technológiou HyperThreading (b)

Do budúcnosti sa dá očakávať nová verzia mikroprocesora Pentium 4 (Nehalem), ktorý by sa mal pre software "tváriť" ako štvorica mikroprocesorov.

6. Prognózy do blízkej budúcnosti v oblasti technológie

Zrýchľovanie a "zahusťovanie" mikroprocesorov v procese ich vývoja ilustruje nasledujúca tabuľka:

Až miliardu tranzistorov by mohli v roku 2007 obsahovať mikroprocesory novej generácie. (Dnešné Pentium 4 ich obsahuje len 55 miliónov.) Problém, ktorý trápi výrobcov mikroprocesorov: ako vyrábať výkonné mikroprocesory, ktoré by nespotrebovávali toľko elektrickej energie ako doposiaľ a ktoré by sa toľko nezohrievali zdá sa, že sa podarilo vyriešiť americkej spoločnosti Intel. 

Problém: Na základnú dosku z kremíku sa umiestňuje už dnes stále viac tranzistorov, ktoré sú veľmi malé a medzi ktorými v dôsledku nedostatočnej izolácie dochádza k nekontrolovateľným únikom prúdu (napríklad u čípu Pentium 4 sa kvôli tomu spotrebuje až 40% energie na nežiadúce teplo). 

Návrh riešenia problému: Únikom prúdu možno podľa vývojárov Intelu zabrániť zmenou látky, ktorou sa jednotlivé tranzistory od seba izolujú. Dnes sa používa oxid kremičitý o hrúbke len 5 molekúl, čo nestačí na dobré izolačné vlastnosti. Intel nechce zverejniť zloženie nového materiálu ale predpokladá sa že by ním mohol byť oxid hafnia. (Hafnium je kov, ktorý sa používa aj v regulačných tyčiach jadrových elektrární. ) Okrem toho chce Intel nahradiť aj materiál na elektródach tranzistorov. Tiež nie je známa špecifikácia nástupcu súčasného polykryštalického kremíka. Intel predpokladá, že nový typ mikročípu sa na trh objaví v roku 2007.

Nástupcovia súčasných Pentii by to mohli v roku 2010 v oblasti pracovnej frekvencie dotiahnuť na hranicu 15 - 20 GHz. (Výkon mikroprocesora =IPC (počet inštrukcii vykonaných za jednotku času) * pracovná frekvencia. Teda nielen pracovná frekvencia!!) Už v roku 2004 sa pravdepodobne prekoná pracovná frekvencia 5-7 GHz a očakáva sa:

• nárast pracovnej frekvencie systémovej zbernice (800 -1200 MHz);
• zvýšenie kapacity pamäte L2 cache na 1MB;
• druhá generácia technológie Hyper-Treading;
• nová pätica Socket T s 775 vývodmi;
• drobné zmeny aj vnútri architektúry NetBurst, týkajúce sa jednotky predpovedania (Branch Prediction na zníženie rizika chybných predpovedí skokov) na dosiahnutie vyššej priepustnosti pipeline a tým aj výkonnosti mikroprocesora;
• nové inštrukcie smerované nazvýšenie výkonosti mikroprocesora pri práci s multimediálnymi údajmi;
• prechod na nový typ zbernice PCI Express (má nahradiť dožívajúce rozhranie PCI a aj port AGP tak, aby sa dala využiť aj na prepojenie jednotlivých častí systému);
• podpora rozpoznávania reči;
• podpora bezdrôtovej komunikácie - nielen adaptéry bezdrôtových sietí WLAN (mikroprocesorové čípy s vysokou pracovnou frekvenciou a s nízkou, resp. regulovanou spotrebou), používané v dosahu hot-spotov ale aj adaptéry na komunikáciu v sieťach mobilných operátorov a na monitorovanie činnosti orgánov chorých pacientov pomocou inteligentného komunikačného čípu;

Do konca roka 2003 by sa mali uviesť na trh produkty (mikroprocesory a k nim podporné čípové súpravy) vyrábané prostredníctvom 90-nanometrovej technológie, do konca roku 2009 sa očakáva postupný prechod na technológie 65, 45, 32 nanometrov.

Problémom súčasných čipov prestane byť zvýšenie výkonu na základe zvýšenia počtu tranzistorov na univerzálnom čípe. Postupne výrobcovia čípov a vývojári zariadení sa od myšlienky univerzálneho čípu prikláňajú k myšlienke špecializovaného čípu (System On a Chip až ku koncepcii Device On a Chip) - teda k výrobe čípov na konkrétne nasadenie.

Mílniky OS Windows

Rok 1992: Windows 3.1 grafická nadstavba OS DOS. Priniesol technológiu OLE (Object Linking and Embedding - v podstate prepojenie aplikácii). Vyžadoval procesor 80286, 2MB RAM a 8MB priestoru na pevnom disku. 
Rok 1995:  Windows 95 ako samostatný OS a nie len grafické rozšírenie MS DOS. Vyžadoval procesor 80386DX, 4MB RAM a 35 MB na pevnom disku. 
Rok 1998:  Windows 98 - OS podporujúci USB, DVD, FireWire. Požadoval procesor 80486DX/66MHz, 16MB RAM a 195 MB diskového priestroru.
Rok 2000:  Windows 2000. Minimálnymi požiadavkami Pentium 133MHz, 32MB RAM a 650 MB diskového priestoru. 
Rok 2001:  Windows XP (eXPerience - skúsenosť, zážitok) požadujúci procesor bežiaci na frekvencii > 300MHz, 128 MB RAM, 1,5GB na pevnom disku.

Assembler

Pseudoinštrukcia (direktíva) je príkaz symbolického programovacieho jazyka, ktorý sa neprekladá do cieľového programu, ale ovplyvňuje prekladač.

Makroinštrukcia je pokyn pre prekladač, aby do cieľového programu zaradil vopred definovanú postupnosť inštrukcii, tzv. rozvoj makroinštrukcie, čo je vlastne otvorený podprogram.

Najjednoduchším spôsobom ovládania procesora je strojový kód (machine cod), teda kód v tvare postupnosti jedničiek a núl. Pretože tvoriť program priamo v niektorej z číselnych sústav (binárnej, dekadickej, hexadecimálnej) by bolo náročné, používa sa jednoduchšia forma zápisu : symbolický zápis inštrukcii - assembler. Prednosťou assemblera voči iným vyššim programovacím jazykom je rýchlosť vykonania kódu a zaroveň to, že zaberá v pamäti čo najmenej miesta. Program je ľahko prenositeľný na rôzne typy počítačov a zabezpečuje úplnú kontrolu nad programom. Minusom assemblera je i pri krátkom programe pomerne dlhý zdrojový text, ťažšie hľadanie chýb, takže programovanie aplikácii zaberie viac času ako pri vyšších programovacich jazykoch.

Assembler sa často používa aj v programoch napísaných vo vyšších programovacích jazykoch vo forme krátkych a rýchlych rutín. Takto možno dosiahnuť zrýchlenie, hlavne pri kritických častiach programu, ktoré by inak trvali veľmi dlho.

Pri používaní assemblerovských rutín sa väčšinou nedá vyhnúť potrebe odovzať rutine nejaké parametre. Najčastejší ide o hodnoty premenných daného modulu. Parametre sa odovzdávajú buď priamo cez registre alebo cez zásobník.

• Odovzdanie parametrov cez registre je veľmi rýchle, pretože výstupné hodnoty jednej funkcie môžu byť vstupnými hodnotami druhej funkcie. Dôležité je, aby nedochádzalo k zbytočným prístupom do relatívne pomalej operačnej pamäte.

• Druhou, veľmi často používanou metódou je odovzdávanie parametrov cez zásobník. Táto metóda nie je taká rýchla ako prvá, ale umožňuje bezpečne odovzdať ľubovoľné množstvo parametrov. Odovzdávanie parametrov cez zásobník sa najčastejšie vyskytuje vo vyšších programovacích jazykoch.

• Tutorial k assembleru 8086;
• Tutorial k debugeru DOS.

 

Zhrnutie základov o mikroprocesoroch

S pohľadu programátora sú najpodstatnejšou súčasťou mikroprocesora jeho registre :

• univerzálne,
• segmentové,
• pre špeciálne účely ako index, baza,
• riadiace - IP, F a
• ďalšie registre pre správu vituálnej pamäte.

Mikroprocesor podporuje adresovanie:

• priame,
• nepriame,
• adresovanie za pomoci špecialnych registrov,
• používanie relatívnej adresy  ( posunutie- offset a bázová adresa).

Prístup k pamäťovej lokalite z integrovaného obvodu pamäťového čípu, pripojeného k mikroprocesoru pomocou zberníc  sa nerealizuje zdanlivo najjednoduchšin spôsobom ako k fyzickej adrese lineárne usporiadanej oblasti pamäťových lokalít ale pomocou koincidenčného adresovania pomocou 2 registrov, napr.  pomocou segmentu a offsetu ( štandardný zapis - CS:IP). Takáto tzv. logická adresa bola historicky použitá ako spôsob prístupu k 20 bitovej adrese pomocou  16 bitových registrov v PC XT. Normalizovaná adresa je modifikácia tejto logickej adresy, v ktorej je offset v rozmedzí 0 - FH. Výhodou  koincidenčného spôsobu adresovania pomocou 2 registrov je zabezpečenie jednoduchého premiestnenia programových modulov. Výsledná tzv. efektívna adresa môže pozostávať zo složiek: segment +báza+index+posunutie.

Obdoba tohto koincidenčného spôsobu adresovania sa používa pre virtuálne adresovanie  (48bitové slovo , pozostávajúce z 32 bitov adresy začiatku segmentu - bázy, spolu so 16 bitovým - selektorom, ktorý špecifikuje hraníce prideleného segmentu pamäti a prístupové práva k pamäti ). Selektor  reprezentuje index do tabuľky segmentových deskriptorov so základnou adresou segmentu . ktorá sa potom štandardným adresovacím spôsobom pripočíta k offsetu na výslednú fyzickú adresu. S použitím tabuľky segmentových desktriptorov sa vytvára možnosť adresovať väčší adresový priestor ako je použiteľná pamäť na základe fyzického adresovania ( pre 32 bitový procesor adresovanie 2³²=4GB ). Virtuálny adresný priestor má v tomto prípade kapacitu 4GB*16kB= 64TB. Virtuálne adresa je dynamicky prekladaná na fyzikálnu adresu nie po adresách jednotlivých buniek pamäte ale po blokoch buniek pamäte, ktoré sa nazývajú stránky.

Jednotka správy pamäti  zabezpečuje ochranu pamäti v systéme, v ktorom  môže pracovať zároveň niekoľko programov. Jednotka správy pamäti musí zabrániť vzájomné narušenie činnosti bežiacich programov a operačného systému. Hierarchická ochrana pamäte je založená na rozdelení úloh do privilegovaných úrovní (kernel, supervízor, univesal user, user).

Potreba určitej štandardizácie hardvérového riešenia ako aj softvéru (operačný systém) si vyžaduje pridŕžať sa spätnej kompatibility so staršími typmi mikroprocesorov na základe požiadaviek určitej skupiny používateľov so starším hardvétom, čo predstavuje nevýhodu pre vývojarov  - napr. už od určitého stupňa vývoja, ktorý prestavuje nástup Pentia Pro prestalo byť možným optimalizovať  v tomto mikroprocesore vykonávanie kódu  programu, pozostávajúceho z    "nemoderných" 16 bitových inštrukcii.

Pomocou nových technológii možno:

• rozmiestniť stále viac tranzistorov na ploche čípu, napr. sa predpokladá, že v roku 2007 sa objavia vo výrobe tranzistory s hrúbkou hradla 20nm.
• zvyšovať výkon na základe zvyšovania pracovnej frekvencie jadra mikroprocesora (pre P4 4GHz), resp. systémovej zbernice  (pre P4 800MHz);
  
• zvyšovať výkon na základe zvyšovania počtu "fáz"  (stupňov pipeline), v ktorých prebieha spracovanie zreťazených inštrukcii. V súvislosti s takými dlhými zreťazenými inštrukciami (hyper pipeline) treba minimalizovať výskyt pripadov nerealizovaného vetvenie programu (Advanced Branch )
  
•  zvyšovať výkon na základe súbežného spracovávania kódu (multithreading.) a súbežného spracovávania viacerých úloh (multitasking);
  
• prispením superskalárnej architektúry na základe zdvojenia výkonných jednotiek (napr. 2*ALU, 2*AGP u P4);
  
• zrýchlením komunikácie medzi procesorom, hlavnou pamäťou a grafickým systémom :
• s využitím duálnej nezávislej zbernice DIB (Dual Independent Bus) k sekundárnej pamäti a  k hlavnej pamäti. Dôležité je aj použitie oddeleného prepojenia grafického subsystému - AGP (Accelerated Graphics Port) s CPU a pamätiami pomocou špeciálnej zbernice s vysokou prenosovou rýchlosťou a veľkou šírkou zbernice , aby spracovanie obrazu mohlo pracovať paralelne a nezávisle od CPU;
• s použitím špeciálneho grafického procesora - GPU (Graphic Processor Unit) na odbremenie CPU pri spracovaní grafickej informácie.  Takýto výkonný čip potrebuje nielen dostatočne širokú zbernicu ( 256 bitov), ale aj podporu rýchlej pamäte;
• s využitím prínosu integrovaného spracovania inštrukcii , napr. multimediálnych inštrukcii typu SIMD (Single Instruction Multiple Data), čo znamená, že jedna inštrukcia spracuje niekoľko operandov. Prínosom špeciálnych multimediálnych inštrukcii  je urýchlenie výpočtov pre manipulácie v dvoj a troj rozmernej grafike, videu a audiu. Takzvané multimediálne inštrukcie sú v skutočnosti aritmetické a logické operácie na pakovaných typoch dát, napr. multimediálne inštrukčné rozšírenie -  MMX (Matrix Manipulation eXtension)  alebo VIS (Visual Instruction Set);
  

---

` 

	Win 1250	Návrat na stránku	HTML 4.0
Back				Next