PROCESOR. PROPRIETATI. MOD DE FUNCTIONARE

1 CONCEPTE CHEIE

BIOS (basic input/output system, system de intrare/iesire de baza). O colectie interna de coduri software ale unui calculator personal care gestioneaza unele sarcini fundamentale privind transimiterea de date dintr o parte a calcuatorului intr-alta.

Pornire sau boot-are. Procesul care are loc atunci cind un calculator personal este pornit si efectuaeaza rutinele necesare pentru a si face toate componentele sa funcitioneze corect si apoi incarca sistemul de operare.

Ceas Un microcip care regleaza timing-ul si viteza tuturor functiilor calculatorului. Cipul include un cristal care vibreaza la o anumita frecventa atunci cind prin el trece curente electric. Cea mai scurta perioada de timp in care un calculator poate efectua o operatie oarecare reprezinta un ceas sau o vibratie a cipului ceas. Viteza ceasurilor - si, prin urmare, a calculatoarelor- este exprimata in mega-hertzi (Mhz). Un megahertz reprezinta un milion de cicluri (sau vibratii) pe secunda.

Memorie ROM si RAM. Prescurtari pentru Read Only Memory si Random Access Memory. Memoria ROM reprezinta cipuri de memorie sau date stocate pe discuri, care pot fi citite de procesorul calculatorului. Calculatorul personal nu poate scrie date noi in aceste cipuri sau pe aceste discuri. Memoria RAM este reprezentata de memorie sau discuri care pot fi citite si pe care, de asemenea, se poate si scrie. Random Acces Memory este in realitate o denumire eronata, deoarece chiar si memoria ROM poate fi accesata in mod aleatoriu. Termenul a fost destinat initial deosebirii memoriei RAM de datele si programele stocate pe caseta magnetica, care puteau fi accesate doar secvential. Aceasta inseamna ca, pentru a ajunge la ultima transa de date sau cod de pe o caseta, un calculator trebuie sa citeasca toate informatiile continute de caseta respectiva, pana cand ajunge la locatia unde sunt stocate datele sau codul pe care le cauta. In schimb, un calculator poate sari direct la orice informatie stocata in locatii aleatorii din cipurile RAM sau pe disc.

Fisiere de sistem. Mici fisiere care contin cod software si reprezinta primele fisiere pe care un calculator le citeste de pe disc atunci cand este pornit. In sistemele DOS si Windows, fisierele sunt denumite IO.SYS si MSDOS.SYS si sunt invizibile, astfel incat in mod obisnuit nu le puteti vedea atunci cand sunt afisate fisierele de pe un disc. Fisierele de sistem contin informatiile necesare pentru a incarca restul unui sistem de operare dupa boot-area hardware initiala. In DOS, un alt fisier de sistem este COMMAND.COM care contine functiile de baza ale sistemului de operare, cum ar fi afisarea unei liste de fisiere (director). Un disc de sistem trebuie sa contina toate cele trei fisiere pentru ca un calculator personal sa poata porni. Fisierele de sistem pot include, de asemenea, CONFIG.SYS care efectueaza unele setari initiale ale componentelor hardware, si AUTOEXEC.BAT, o colectie de comenzi sunt executate atunci cand au fost terminate toate celelalte functii de boot-are.

Adder, half-adder, full-adder Diferite combinatii de tranzistori care efectueaza operatiuni matematice si logice asupra datelor care sunt procesate.

Calcul cu set complex de instructiuni (complex instruction set computing, CISC). Un design de arhitectura de procesor in care instructiunile mari si complicate sunt defalcate in sarcini mai mic, inainte ca procesorul sa le execute.

Calcul cu set redus de instructiuni (reduced instruction set computing, RISC). Un design de procesor in care sunt folosite numai instructiuni mici, rapid executabile. Opusul calculului de set complex de instructiuni.

Canal (drain). Partea unui tranzistor in care curentul electric iese intr-un tranzistor, atunci cand acesta este inchis.

Condensator. O componenta care stocheaza o sarcina electrica.

Linie de adresa. O linie electrica sau un circuit asociat (a) cu o anumita locatie din memoria RAM.

Linie de date. O linie electrica sau un circuit care transporta date; in special in cipurile de memorie RAM, un circuit care determina daca un bit reprezinta un 0 sau 1.

Megahertz (Mhz). Unitate de masura, in milioane, a numarului de ori in care un lucru oscileaza sau vibreaza. Vitezele procesorului sunt, de regula, masurate in megahertzi.

Pipelining. O arhitectura de calculator conceputa astfel incat toate componentele unui circuit functioneaza intotdeauna si nici o parte din circuit nu este blocata asteptand date de la o alta componenta.

Memorie ascunsa (cache). Un bloc de memorie de mare viteza in care sunt copiate datele atunci cand acestea sunt recuperate din memoria RAM. Apoi, daca datele sunt necesare din nou, ele pot fi recuperate din memoria ascunsa mai rapid decat din memoria RAM. Memoria ascunsa de nivel 2 (level 2 cache) este localizata pe placa de baza, separat de procesor. Memoria ascunsa de nivel 1 face parte din procesor, facand-o chiar mai usor de gasit. Memoria  Cache este mai rapida decat memoria RAM, asigurand viteza necesara lucrului cu procesorul. Memoreaza datele si instructiunile care se utilizeaza la un moment dat. Capacitate: 256KB-2MB. Pentium    are memorii ascunse multiple, care totalizeaza pina la 2 MB de memorie. Ele sunt concepute pentru a asigura alimentarea constanta a unitatii aritmetice logice cu datele si instructiunile de care aceasta are nevoie.

Aceste componente trebuie sa gestioneze fluxul de date si instructiuni in interiorul procesorului, sa interpreteze instructiunile astfel incat ele sa poata fi executate de procesor si sa trimita rezultatele inapoi la memoria calculatorului personal. In mod ideal, procesorul executa o instructiune la fiecare tact al ceasului calculatorului, care reglementeaza cat de repede functioneaza sistemul, un ideal care este desemnat prin expresia pipeling. Pipeling-ul se asigura ca nici o unitate aritmetica logica nu trebuie sa astepte date.

Memoria CMOS memoreaza partea din BIOS si parametrii de functionare care pot fi stabiliti de catre utilizator. Este o memorie volatila dar este pastrata sub tensiune de catre o baterie astfel ca datele nu se pierd la oprirea calculatorului.

Magistrala(bus) este un canal comun de comunicatie intre placile calculatorului. Magistrala este formata dintr-un manunchi de trasee de cupru pe o placa de circuit, pe care circula informatia (date, comenzi, semnale de control)sub forma de impulsuri electrice cu doua niveluri de tensiune, carora le corespund cele doua cifre binare 0 si 1. Pe acest canal circula acelasi tip de semnale de dialog intre componente. Magistrala a facut din microcalculator un sistem deschis la care pot fi adaugate oricand noi placi adaptoare.

Conectorii la magistrala (bus connectors) prin intermediul carora se leaga optional la placa de baza placile adaptoare sau interfetele pentru imprimanta,pentru modemul liniei telefonice, pentru ecran,pentru unitatile de discuri flexibile etc. Daca aceste placi ar fi legate direct la placa de baza, ar trebui definite clar conexiunile penru fiecare placa. In plus, ar trebui stabilite semnalele de dialog antre fiecare pereche de placi care dialogheaza. Sistemul ar avea o flexibilitate redusa. El ar deveni un sistem inchis.

Microcip. O bucata de dioxid de silicon pe care au fost gravate circuite electrice microscopice, folosint un sistem de lumini, filme senzitive la lumina si bai acide.

Microprocesor, procesor. " O componenta care contine circuite care pot manipula date in forma unor biti binari. Un microprocesor este continut intr-un singur microcip.

MMX Un set de instructiuni care accelereaza operatiunile solicitate pentru multimedia. Setul este construit in procesoarele Intel Pentium.

Operatiuni booleene. Operatiuni logice, bazate pe starea adevarata sau falsa a unei declaratii, care reprezinta echivalentul operatiunilor matematice cu numere.

Poarta. Un design de micro procesor in care transistorii sunt aranjati astfel incat valoarea unui bit de date poate fi modificata.

Registru. Un set de tranzistori dintr-un procesor in care sunt stocate temporar date in timp ce procesorul efectueaza calcule care implica datele respective .

SIMD (Single Instruction Multiple Data/ Instructiune unica, date multiple). O arhitectura de procesor care permite aceleiasi operatiuni sa fie efectuate simultan asupra unor seturi multiple de date.

Tranzistor. Un comutator microscopic care controleaza fluxul de electricitate ce trece prin el, in functie de modul in care o sarcina electrica diferita a deschis sau a inchis circuitul.

Tranzistorul este blocul fundamental din care sunt construite toate microcipurile. Tranzistorul poate crea numai informatii binare : un 1 daca curentul trece si un 0 daca curentul nu trece. Bitii pot, la fel de usor, sa tina locul valorilor    de "adevarat" (1) sau "fals" (0), ceea ce permite calculatoarelor sa trateze logica booleana. (Selecteaza asta si asta dar NU asta). Combinatiile de tranzistori in diferite configuratii sunt numite porti logice. In plus, tranzistorii fac posibil ca o cantitate mica de curent electric sa controleze un al doilea curent, mult mai puternic- la fel cum cantitatea mica de energie necesara pentru a aprinde un comutator de perete poate controla energia mult mai puternica ce circula prin fire.

Crearea unui cip din tranzistori

Mii de tranzistori sunt conectati pe o singura placa de siliciu. Placa este incadrata intr o bucata de material plastic sau ceramic, iar capetele circuitelor sunt atasate la piste metalice care se extind, pentru a conecta cipul la alte componente ale placii de circuite integrate. Pistele transporta semnale in interiorul cipului si trimit semnale din cip catre componente ale calculatorului.

2 Microprocesorul

Microprocesorul constituie unitatea centrala de prelucrare (central processing unit sau CPU) a calculatorului personal. Toate celelalte componente - memoria RAM, discurile, monitorul - preiau date si le transfera procesorului, pentru a fi manipulate; apoi le afiseaza rezultatele. Unitatea centrala de prelucrare nu este singurul microprocesor din calculatoarele personale (coprocesoarele din placile grafice, acceleratoarele 3D si placile de sunet ). Pentiumul este primul procesor Intel care are doua unitati artimetice logice, astfel incat el poate procesa doua seturi de numere in acelasi timp.

Procesorul actualelor sisteme poate fi un microprocesor sau un ansamblu integrat de microprocesoare. Orice procesor contine patru blocuri functionale de baza:

unitatea de comanda si control (UCC),

unitatea aritmetico-logica (UAL),

registrele procesorului,

unitatea de interfata cu celelalte componente (UI).

Procesoarele performante utilizeaza structuri de date avansate precum stivele. Acestea sunt utile pentru salvarea contextului unei activitati inainte de intreruperea acesteia. Primele trei componente formeaza unitatea de executare.

Registrele reprezinta o memorie foarte rapida a procesorului in care se pastreaza codul instructiunilor, datele de prelucrat, rezultatele prelucrarilor etc. Cele mai importante registre ale unui procesor sunt:

registrul acumulator

registrul numarator de adrese al programului

registrul indicatorilor de conditii (valoare negativa, pozitiva sau nula, transport in urma executarii operatiilor de calcul etc.),

registrul de instructiuni si registrul de adresare a memoriei.

In general, registrul acumulator pastreaza unul dintre operanzii unei instructiuni de calcul, fiind totodata si destinatia rezultatului operatiei.

Registrul numarator de adrese al programului sau registrul contor-program, arata adresa, in memoria interna, unde se afla stocata urmatoarea instructiune de executat.

Indicatorii de conditie sunt pozitionati automat in urma efectuari anumitor operatii.

Registrul de instructiuni memoreaza instructiunea ce se executa. Continutul acestui registru este analizat pentru a se determina operatia de executat, locul unde se afla stocati operanzii precum si locul unde va fi stocat rezultatul, daca instructiunea este una de calcul, respectiv adresa unde se va face un salt in program sau adresa unei zone de memorie unde/de unde se va stoca/citi o anumita data, in alte situatii.

Registrul de adresare a memoriei pastreaza adresa curenta folosita pentru efectuarea accesului la memorie. De obicei, adresa efectiva se obtine in urma unui calcul de adresa.

Deoarece un sistem de calcul executa mai multe activitati, acestea pot avea nevoie de controlul procesorului. Rezulta necesitatea intreruperii unei activitati pentru a trece la o alta activitate. Aceste comutari sunt determinate fie prin hardware, fie prin software. Intreruperea hardware este declansata la aparitia unui semnal de intrerupere prin care procesorului i se cere sa analizeze un anumit eveniment.

Performantele procesorului pot fi exprimate prin:

durata ciclului procesorului

lungimea cuvantului

repertoriul de instructiuni

durata executarii instructiunilor

Tipul microprocesorului

Frecventa de lucru a microprocesorului  

Durata ciclului procesorului reprezinta intervalul de timp in care se efectueaza un transfer intre doua registre ale procesorului.

Cuvantul microprocesorului  reprezinta numarul de biti intotdeauna multiplu de octeti care pot fi prelucrati la un moment dat de catre microprocesor (de exemplu 8 biti,16 biti,32 biti,64 biti). Cu cat cuvantul are mai multi biti, cu atat viteza de lucru a microprocesorului este mai mare si el este mai performant.

Repertoriu de instructiuni contine cel putin urmatoarele grupe de operatii (mnemonicele instructiunilor au caracter orientativ):

Durata executarii unei instructiuni reprezinta timpul necesar desfasurarii fazei de citire-interpretare si a fazei de executie a acelei instructiuni.

Pentru microcalculatoare, procesorul este reprezentat de un singur circuit integrat (silicon chip), numit microprocesor (microprocessor - 'microscopic processor').

Tipul microprocesorului defineste apartenenta microprocesorului la o familie de microprocesoare care au caracteristici comune.

Pe calculatoarele IBM-PC, cat si pe cele compatibile IBM se intalnesc microprocesoarele din familiile INTEL 80x86, unde x=0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, Cu cat  x este mai mare, cu atat microprocesorul este mai performant (de exemplu, 80686) va putea intelege si executa instructiunile unui program scris pentru un microprocesor mai putin performant (de exemplu, 80486).

Procesoarele folosite de calculatoarele IBM-PC sau compatibile IBM-PC sunt produse de firme ca Intel, AMD, Cyrix, etc. Familia din care acestea fac parte se stabileste prin compararea performantelor cu familiile de procesoare Intel: 286, 386, 486, Pentium, PentiumII, PentiumIII, PentiumIV,etc.

In cadrul aceleiasi familii, microprocesoarele sunt compatibile intre ele.

Frecventa de lucru a microprocesorului se masoara in megahertzi (MHz), adica in milioane de impulsuri pe secunda. De exemplu, daca un microprocesor are frecventa de MHz inseamna un semnal cu de milioane de impulsuri pe secunda. Cu cat aceasta frecventa este mai mare, cu atat microprocesorul este mai performant, deoarece ea este direct proportionala cu viteza cu care microprocesorul executa instructiunile, deci cu viteza de lucru a calculatorului. Pentru sistemul de operare Windows XP , care este un mare consumator de resurse, se recomanda un procesor cu o frecventa de cel putin MHz.

Toate aceste elemente determina viteza de lucru a microprocesorului, adica determina cat de repede executa microprocesorul o instructiune. Viteza se masoara in milioane de instructiuni pe secunda - MIPS sau MFLOPS. Un calculator performant are o viteza de executie de ordinul a 2-30 MIPS.

In acest moment, exista doua categorii de microprocesoare: CISC (Complex Instruction Set Computer) si RISC (Reduced Instruction Set Computer). Cele mai raspandite microprocesoare sunt cele CISC (avand ca reprezentati microprocesoarele INTEL : X86, Pentium). Microprocesoarele RISC implementeaza mai putine instructiuni, sunt mai simplu de proiectat si mai ieftine. Cateva exemple de microprocesoare RISC sunt: PowerPC (dezvoltat de Motorola, IBM si Apple); Alpha si MIPS R400 (dezvoltate de Digital Equipment Corporation). O abordare speciala o reprezinta arhitectura CISC bazata pe tehnici de tip RISC care duce la o viteza de executare a aplicatiilor CISC comparabila cu cea a sistemelor RISC. Este cazul solutiilor AMD si Cyrix.

Trebuie amintit ca un calculator poate avea unul sau mai multe procesoare . Placile de baza 'normale' permit prezenta unui singur processor , insa sunt producatori ce ofera optiunea de 'dual processor' . Astfel in sistemele produse de Digital , HP se pot intalni intre 2-8 procesoare . Problema este ca numai anumite sisteme de operare stiu sa foloseasca multiprocesarea (Linux , SunOs , Unix , WindowsNT) . Astfel in Windows 9x prezenta unui processor suplimentar nu va influenta cu nimic performanta sistemului . Sistemele multiprocessor sunt folosite in servere sau in statii de lucru cu flux mare de date (CAD , GIS , etc) . Un alt motiv de a folosi un sistem multiprocessor este securitatea oferita . Astfel in cazul unei defectiuni produse la unul din procesoare conducerea va fi luata de celalalt .

CUM FUNCTIONEAZA UN CIP PENTIUM

Pas 1. Microprocesorul Pentium de la Intel este alcatuirt din doua bucati de siliciu. Una este unitatea centrala de prelucrare de 5,5-9,5 milioane de tranzistori, unde sunt executate intructiunile programelor. Cealalta este o memorie ascunsa 2 (cache 2, L2), de mare viteza, special conceputa. Cei 15,5 milioane de tranzistori ai sai pot stoca pana la 512 kilobytes de date si cod. Primele procesoare foloaseau, de regula, o memorie cache separata de procesor, care de regula facea parte din placa de baza a calculatorului.

Pas 2. Procesorul si memoria cache partajeaza aceeasi interfata pe 64 de biti pentru informatiile calculatorului. Codul de program sau datele manipulate de codul respectiv intra si ies din cip la viteza maxima a magistralei (bus) calculatorului personal, nu mai mult de 100MHz chiar si pentru procesoarele care functioneaza intern la 200 MHzⁿ(la puterea 20). O mare parte din designul pentiumului este structurata pentru a micsora piedica reprezentata de magistrala reducand numarul de ori in care un ceas cicleaza -cel mai mic interval de timp in care un calculator poate realiza o operatiune - fara ca procesorul sa finalizeze o operatiune.

Pas 3. Atunci cand informatiile intra in procesor prin intermediul unitatii de interfata cu magistrala (bus interface unit, BIU), aceasta duplica informatiile, trimite o copie la memoria L2 cache care este strans legata de unitatea centrala de prelucrare si o alta la o pereche de memorii ascunse de nivelul 1 (L1 cache), a caror marime variaza de la 8 la 16 KB si care sunt construite direct in unitatea centrala de prelucrare. Unitatea de interfata a magistralei trimite codul de program la memoria ascunsa de instructiuni L1( instructiuni cahe sau l-cache) si trimite date care trebuie sa fie folosite de cod catre o alta memorie ascunsa L1, memoria ascunsa de date (data cache, D-cache).

Pas4. In timp ce unitatea de apelare/decodare (fetch/decode unit) extrage instructiunile din memoria cache de instructiuni, unitatea branch target buffer (BTB) compara fiecare instructiune cu o inregistrare dintr-un tampon separat, pentru a vedea daca o anumita instructiune nu a fost folosita anterior. Unitatea branch target buffer cauta in particular instructiuni care implica defalcarea (branching), o situatie in care executia programului poate urma oricare din doua cai. Daca unitatea branch target buffer gaseste o instructiune de defalcare, el prezice, pe baza experientei din trecut, calea pe care o va lua programul. Predictiile sunt corecta in proportie de peste 90% din cazuri.

Pas In timp ce unitatea de apelare/decodare extrage instructiunile in ordinea prezisa de unitatea branch target buffer, trei decodoare care lucreaza in paralel defalcheaza instructiunile mai complexe in mu-ops, care sunt micro-operatiuni mai mici, pe 274 biti. Unitatea de livrare/executie (dispatch/execution unit) proceseaza mai rapid mai multe micro-operatiuni decat ar procesa o singura instructiune de nivel mai inalt.

Pas 6. Unitatea de decodare trimite toate micro-operatiunile la cartelul de instructiuni (instruction pool), care mai este denumit si Tampon de re-ordonare (ReOrder Buffer). Acesta contine doua unitati aritmetice logice (arithmetic logic units, ALUs) care gestioneaza toate calculele care implica numere intregi. Unitatile aritmetice logice folosesc un tampon circular, cu un cap si o coada, care contine micro-operatiunile in ordinea in care unitatea BTB estimeaza ca va fi nevoie de ele.

Pas 7. Unitatea de livrare/executie verifica fiecare micro-operatiune din tampon, pentru a vedea daca are toate informatiile necesare pentru procesarea sa si, atunci cand gaseste o micro-operatiune gata de procesare, unitatea o executa, stocheaza rezultatul in chiar micro-operatiunea respectiva si o marcheaza ca efectuata.

Pas 8. Daca o micro-operatiune are nevoie de mai multe date din memorie, unitatea de executie trece peste ea si procesorul cauta informatiile mai intai in memoria cache L1 aflata in imediata apropiere. Daca datele nu se afla aici, procesorul verifica memoria cache L2, de dimensiuni mult mai mari. Deoarece memoria cache L2 este integrata cu unitatea centrala de prelucrare, informatiile se transfera intre ele de 2-4 ori mai repede decat intre unitatea centrala de prelucrare si magistrala externa. La o viteza a cipului de 150MHz, informatiile sunt recuperate cu o rata de 1,2 GB pe secunda, in comparatie cu 528 MB /s, daca unitatea centrala de prelucrare trebuie sa ajunga la memoria externa pentru a obtine informatiile.

Pas 9. In loc sa stea inactiva pana cand informatiile sunt apelate, unitatea de executie continua inspectarea fiecarei micro-operatiuni din tampon. Atunci cand ea gaseste o micro-operatiune care are toate informatiile care are toate informatiile de care este nevoie pentru procesarea sa, unitatea o executa, stocheaza rezultatele in chiar micro-operatiunea respectiva si trece la urmatoarea micro-operatiune. Aceastqa procedura este denumita executie speculativa, deoarece ordinea micro-operatiunilor din tamponul circular se bazeaza pe prezicerile unitatii BTB. Unitatea executa pana la cinci micro-operatiuni simultan. Atunci cand unitatea de executie ajunge la sfarsitul tamponului, ea reia de la inceput, verificand din nou toate micro-operatiunile, pentru a vedea daca vreuna dintre ele a primit datele de care are nevoie pentru a fi executata.

Pas 10. Daca o operatiune implica numere cu virgula mobila (floating-point numbers), cum ar fi 3,14 sau 0,33333, unitatile aritmetice logice transmit sarcina unitatii matematice cu vigula mobila, care contine instrumente de procesare concepute pentru manipularea rapida a numerelor cu virgula mobila.

Pas 11. Atunci cand o micro-operatiune care a fost amanata este in cele din urma procesata, unitatea de executie compara rezultatele cu cele prezise de unitatea BTB. Atunci cand prezicerea este eronata, o componenta numita unitate de executie a sariturii (jump execution unit, JEU) muta marcatorul de final de la ultima micro-operatiune la aceea care a prezis ca toate micro-opertiunile de dupa marcatorul de final trebuie ignorte si pot fi supra-scrise de alte micro-operatiuni. Se transmite BTB ca predictia sa era incorecta si informatiile respective devin parte din viitoarele sale preziceri.

Pas 12. Intre timp, tamponul cicular este inspectat, de asemenea, de catre unitatea de retragere (retirement unit). El verifica sa vada daca micro-operatiunea de la inceputul tamponului a fost executata. Daca nu a fost executata, unitatea de retragere continua sa verifice pana cand ea a fost procesata. Apoi, unitatea de retragere verifica a doua si a treia micro-operatiune. Daca acestea sunt deja executate, unitatea trimite toate cele trei rezultate - numarul maxim - catre tamponul de stocare. Acolo, unitatea de prezicere le verifica o ultima data inainte de a fi trimise la locul corespunzator din memoria RAM a sistemului.