Prof. dr.
sc.
Slobodan Ribarić
NAPREDNUE ARHITEKTURE MIKROPROCESORA
Uporabu ovog sveučilišnog udžbenika odobrio je...
62 downloads
791 Views
33MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Prof. dr.
sc.
Slobodan Ribarić
NAPREDNUE ARHITEKTURE MIKROPROCESORA
Uporabu ovog sveučilišnog udžbenika odobrio je Odbor za znanstveno-nastavnu literaturu Sveučilišta u Zagrebu rješenjem broj 02-240/1-1990 od 21. ožujka 1990.
Nijedan dio ove knjige ne smije se � niti umnahti na bilo koji načn.
bez nakladnikova pismmog dnP"&rnja
Prof. dr.
sc.
Slobodan Ribarić
Redoviti profesor Fakulteta elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu
NAPREDNIJE ARHITEKTURE MIKROPROCESORA
3.
izdanje
Zagreb, 1999.
© Prof.
dr. sc. Slobodan Ribarić. 1997.
Recenzenti Prof. dr. sc. Leo Budin Prof. dr. sc. Uroš Peruško Prof. dr. sc. Nikola Pavešić
Lektor Josip Živković
Crteži Zvonimir Feil
Nakladnik Element, Zagreb
Tisak KIKA
-
GRAF, Zagreb
PREDGOVOR DRUGOM IZDANJU Pred Vama je ponovljeno izdanje knjige koja je objavljena prvi put 1990.
godine u izdanju Školske knjige. Zagreb. Nakon sedam godina možda bi naslov knjige "Naprednije arhitekture mikroprocesora" trebalo promijeniti.
Razlog
tomu je brzi razvoj tehnologije visokog stupnja integracije i pojava procesora s novim arhitektonskim značajkama. U predgovoru prvom izdanju knjige na
pisao sam da pisanje knjige o arhitekturi mikroprocesora. ili što je još gore. o
naprednijim arhitekturama mikroprocesora. predstavlja za autora nezahvalnu avanturu punu opasnih zamki. Naime. uporabom programskih alatki vrijeme se oblikovanja i izrade procesorskog čipa skraćuje. tako da je vrijeme potrebno za tiskanje nove knjige dulje negoli je vrijeme potrebno za nastanak novog proce sora. Svjestan svega toga, odlučio sam se za opis arhitektonskih značajki koje su vremenske stalnice u ovom tehnološki nemirnom području naglog razvoja. Na taj je način usporeno zastarijevanje gradiva i čitatelju se nude opisi koji su tehno loški nezavisni. a čine temelj za razumijevanje naprednijih arhitektura. Tako će čitatelj u ovoj knjizi naći podrobno obrađene teme kao što su aritmetic7w-Iogička jedinica. pristupi njenom oblikovanju i načini ubrzanja njenog rada, mikropro gramiranje, prekidni sustav i obrada iznimaka, sinkroni i asinkroni sabirnički sustavi, virtualna memorija, priručna (engl. cache) memorija, te komponente
8-. 16- i 32�bitne arhitekture procesora. U završnom dijelu knjige opisan je
transputer koji predstavlja osnovni građevni blok visokoparalelnih računalnih sustava za posebne namjene. Knjiga je namijenjena studentima Fakulteta elektronike i računarstva Sve učilišta u Zagrebu te djelomično pokriva građu predmeta "Arhitektura i orga nizacija.digitalnih računala" i "Projektiranje digitalnih sustava". Knjiga može poslužiti i kao udžbenik na srarlnim fakultetima te studiju Poslovne informatike.
U Zagrebu, listopada 1997. godine Autor
SADRŽAJ 1. UVODNO POGLAVWE .. ....... . . . . . .. .. .. ... .. . . .. .. ... .... .. Ll. Mikroprocesor . . . .... .... .. .......... . .. .. . .. .. ...... . .... 1.2. Mikroračunalo i mikroračunalski sustav.. .. ...... ... .. .. .. ... ......
7 7 7
1.3. Kratak povijesni pregled mikroprocesora - mikroprocesorske generacije. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Smjer razvoja mikroprocesora i mikroračunala ................ . .... ..
II
Literatura. .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
•
•
•
. .. .. . .. ....
1 4 1 5
2. MIKRORAČUNALO .. .. ......... ... .. .... ... .. .. .. ..... .. .... 2.1. Uvod. . . • . ... .. .. ......... ... .. ...... ..... .. .. . ... . .... 2.2. Memorijski moduli . . .... .... ... ...... . . ..... .. .. ....... . . .. 2.3. Ulazno-izlazni (UlI) moduli . . . . .... . . . . . . .. . ..... . ... . . . . .. . . . 2.4. Moduli posebne namjene .. .... ... .. .... .. . . ... .... .. ... . . . . .. 2.5. Sabirnice . .. .. .. .. ... ...... ... .. .. ....... .. .. .. ......... 2.6. Programska oprema . . ....... ... .. . ..... ....... .. .. .... ..... 2.7. Primjeri mikroraču1Ullskih sustava. ...... .. . . .. . . . .. . . .. . . .. . .... Literatura . . . . . . . . . . . . . • ... . . .. ...... .. ... .. .. ....... ....
16 1 6
3. POJEDNOSTAVLJENI MODEL MIKROPROCESORA. ... . . . . . . . . . . . . .. 3.1. Uvod. . . . . . . • . . .. . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.2. Pojednostavljeni model mikroprocesora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.3. Primjer izvođenja programa . . . . . . . . . . . . • . ... ..... .. .. .... . . . .. 3.4. Stanje na vanjskim sabimicama .... . .. ...... ..... .. .. . . .. ....... 3.5. Logički analizator . . .... . ... . . . . . . . . .. . ....... . . . . . .. . ..... Literatura. .. .. ........... ..... .. ... . .. ..... .. .. ..... ....
25 25
4. KOMPONENTE ARHITEKTURE 8·, 16· I32·BITNIH
MIKROPROCESORA .... . ..... ... ...... .. .. ... .... .. ..... . . ..
Akumulatori, skup registara opće namjene, adresni registri, status-registar, registri posebne namjene 4.1. Uvod ... . .... .. ....... . . . . . . . .. .... ..... .... ..... .. .. ..
4.2. Akumulatori . .. . . . .. .. . . .. .. ... .. ... . ....... .. ........... 4.3. Skup registara opće namjene . ... .. . .... .. .... ..... .... .. ... .... 4.4. Adresni registri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , 4.5. Status-registar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • • . . . . . . . . . . . • 4.6. Registri posebne namjene . . . . . , ... .... .. . . . . . .. .. .. .. ... . . .... Literatura
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
•
S. KOMPONENTE ARHITEKTURE 8·, 16· I32·BITNIH MIKRQPROCESORA ................
: ........ . .. ...... .......
Aritmetičko logička jedinica, malemplički procesor ili koprocesor 5.1. Uvod . . . . .... . .. . '.' ...... .. ... . ......... ........... .
.
.
.
5.2. Aritmetičko-Iogička jedinica . ... .. ... ... . .. ... .. .. ...... ... .... Aritmetička sekcija. . . .... . . . . . . .. .. .. .. .. ... .... .... ... .. .. Zbrajalo sa predviđanjem bita prijenosa ...... . . .. ... .... .. .... . . . ..
Logička sekcija . ....... .. .... ........ : .. ... .... .. .. .... ... Množila. . . . .. .. ............ .... .. ......... .. ....... .... DjeIila . ... . .. .. .. ......... . .. .. .... .. ......... .. ....... Sklopovi za aritmetiku brojeva s pomičnim zarezom .. . . .. .... ... . ... .. .
5.3. Sklop za posmnk . .. ... . . .... .. . .... ...... ... . . . ... ..... .... 5.4. Akumulator. . .. .. .. ... .. .. . .. .. .. .. .. .. . .... . . .. ..... .... 5.5. Ubrzanja rada aritmetičko·logičke jedinice. . .... .. ... .. .... .. ... .... 5.6. Skup aritmetičko-Iogičkih instrukcija . ..... .... .. ... . . .. .. ......... 5.7. Matematički procesor MC 68881 .. . .. . .. .... .. ... . . .. .. ... .. .. .. Literatura. . . • • . . . . . . . . . . . . • . .. .. .... .. ...... . .. ...... ...
1 6
J6
17 17
19 2 1 2 2
25
27 35
37 39 40
40 40 4 4
50 62
69 72 73 73 73 74 75 78 82 86 88 88 91 91 94 98 105
6. UPRAVLJAČKA JEDINICA. . . .. . .... .... . .......... .. .. ........ 6.1. Uvod. . . . .. . . . . . . . ... . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . ..
106 106
...... .... . ..... . . . ....... ......
108
6.3. Strojni ciklus i stanje procesora. .. . .... ... .. .... . . ........ . . . . ..
117
6.4. Skup instrukcija, formati instrukcija i načini adresiranja . ... . ..... . ... ...
121
6.2. Mikroprogramiranje
.
•
•
.
.
.
.
.
..... . . .. . . ...... ... ........... ...
124
Izravno adresiranje memorije .................................. Posredno (indirektno) adresiranje memorije .. ..... ...... . . ..........
1 25
Uključno adresiranje registara . . .... .... . ................ . ... ...
129
Odnosno (relativno) adresiranje ... ... .... ........ . . . . ..... . .. . ..
129
Izravno adresiranje registara
.
. ..
.
132
Literatura. . . .. . . . . .. . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . ..
136
Usputno adresiran je
.
.
.
.
.
.
.
.
. ..
7. PREKIDNI SUSTAV MIKROPROCESORA 7 . 1. Uvod
.
.
.
.
. . .
.
.
. . .
7.2. Prekidni sustav ...
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
..
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
..
125
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
... . ........ . ............
137
. . . , ........ . .. . . . ..... . ... ..
137
'. . ....... ... . .. .... . .. . ..
137
.
.
.
.
.
.
.
7 . 3. Prekidni sustav INTELA 8080 - preteča prekidnih sustava naprednijih arhitektura
.
. ..
.
.
.
.
.
. . .
.
.
.
.
.
..
7.4. Organizacija prekidnog sustava s automatskim pohranjivanjem
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
sadržaja radnih registara- mikroprocesor MC 6800 . . . . . . . . . . . . . . . . . . "
138
144
7.5. Prekidni sustav osmobitnog mikroprocesora naprednije
arhitekture- mikroprocesorZ-80 . . . ..... ...... .... .... . . .... . .. . .... . ........ . . .. .
7.6. Prekidni sustav I6·bitnog mikroprocesoraINTEL8086
7.7. Ob rada iznimaka- mikroprocesorMC 68000 . 7.8. Obrada prekida zaMC 68000
.
145 146
. . . . . ..
149
. . .. . .... .... .. . . .. . .. ...........
153
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
•
7 . 9. Inačica obrade pre k ida zaMC 68000 . . ... . . .. . .. ... . . . . ... . ... . 7.10. Obrada iznimke praćenja(Trace) 7.11 . Višestruke iznimke zaMC 68000
1 56
"
.. . . ............ .... ........ ...
157
. . . . .. . . . . .... .... . .. . . . . .... .. .
1 60
.
7.12. Organizacija prekidnog sustava32-bitnog mikroprocesora
.
.
160
Literatura . . . . . . . . . . . . .. . .. . . .. . . . . . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . ..
163
INTEL80386
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. ..
.
. .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
..
.
.
..
.
.
.
.
.
.
.
.
8. POSEBNE ZNAČAJKE ARHITEKTURE 8-, 16- I32-BITNDI MIKROPROCESORA ............. . . . ... ........... . .. ... .. .. .
8.1. Uvod .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
8.2. Protočna arhitektura
.
.
.
.
.
•
.
.
8.3. Priručna (cache) memorija 8.4. Virtualna memorija.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
"
.
.
.
.
.
.
•
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
•
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
"
.
.
.
•
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
"
......... .. . . ... . . ...... . .. ..... . ......
8.5. AlgoritamBinary Buddy
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
•
. . . . . . . . . . ..
8.6. Memorijskaupravljačka jedinicaMC 68451 ...... .... . . . . .... ... ... .
Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . " .
9. SABIRNICE .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.. .
.
.
.
.
.
..
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
"
16 5 165 16 5 16 9 17 5
186 191 198 2 00
9.1. Uvod. .. . . .. . .. ............................ . ... . .......
200
9.2. Sinkrona i asinkrona sabirnica.
205
.
. . .......... .. ....... ........ ...
9.3. Asinkrona sabirnica- vrste sabirničkih ciklusa za16- bitni
mikroprocesorMC 68000 .
.
.
.
..
.
. .
.
...
.
.
.
.
.
.
.
.
.
....
.
.
.
.
.
.
.
.
."
9.4. Sabirnički standardVME . ........ .... . .... . . ... . . ... . ........
Literatura .... . . ...... ........ .. .. . ........ . .... ..... . " .
10. TRANSPUTER
..
..
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Transputer iOCCAM
.
.
.
.
10 . 4. Komunikacija transputera.
.
.
.
10.1. Uvod
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. . ..
.
.
.
.
.
.
.
"
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
•
.
.
.
"
.
.
.
10.2. Arhitektura transputera . ... ...... . . .... . ... . .. .. . . . .. . .. .....
10.3.
10.5. OCCAM . . . . . . . . 10.6. Model transputeraT4J4 .
Literatura .
.
.
Kazalo pojmova.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
•
.
.
.
.
..... ... .. ......... .. . . . . . ... .. . .. .
..
.
•
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. ..
.
.
.
•
.
. ..
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
..
.
.
.
.
.
.
.
.
_
.
•
. . . ...
. . . . . ..
... . .. . ... ... .... . . . .... . . . . . . .. . .. .
.
.
.
.
.
.
.
.
•
.
.. . . ... . .. . . . . .. . . . . "
.. .......... ....... . .. ... . . ............... "
207 215 220 22 1 221 221 222 225 2 25 22 6 228 229
1 . UVODNO POGLAVLJE 1.1. Mikroprocesor je složeni programski upravljivi sklop koji pribavlja, dekodira i izvršava instrukcije. Dakle, mikroprocesor odgovara po funkcij i i namjeni cen tralnoj procesnoj jedinici digitalnog računala. On se izvodi u tehnologiji visokog ili vrlo visokog stupnja integracije (LS I - Large Scale Integration , VLSI Very Large Scale Integration) . Mikroprocesor
Većina s e mikroprocesora izvodi kao jedan čipI, a neki se ostvaruju s više čipova (npr. 32-bitni mikro procesor iAPX 432) . Mikroprocesor saobraća s memorijskim i ulazno-izla znim modulima digitalnog sustava: pribavlja instruk cije ili naredbe, te prima, obrađuje i šalje podatke .
Mikroprocesor, kao centralna procesna j edinica, ima sklopove za rukovanje podacima i upravljačke sklopo-
sklopova za dekodiranje koji dekodiraju opera cijski kod instrukcije i pobuđuju slijed upravljač kih signala2,
D
o
sklopova za vremensko vođenje i upravljanje
koj i, pobuđen i signalima vremenskog vođenja osnovnog generatora, daj u unutrašnje i vanjske upravljačke signale za vremensko vođenje, sinkro nizaciju i upravljanje prijenosom podataka. Slika 1.1 prikazuje pojednostavnjenu blok-shemu dvaju 16-bitnih mikroprocesora s označenim kompo nentama za rukovanje podacima i upravljanje .
1.2. Mikroračunalo i mikroračunalski sustav
ve.
Sklopovi za rukovanje podacima o
aritmetičko-Iogičke jedinice
sastoje se od : koja izvodi aritme
tičke i logičke operacije, o akumulatora koji se upotrebljavaju za privre meno pohranj ivanje operanada što sudjeluju u aritrnetičkim ili logičkim operacijama, te za privre meno pohranjivanje rezultata i ulazno-izlaznih. po dataka, D registara opće namjene za pohranj ivanje opera nada i međurezult�ta, D registara uvjeta ili status-registara gdje se poje dini bitovi automatski postavlj aju prema rezulta tima operacij e aritmetičko-logičke jedinice ili sta nja centralne procesne j edinice , o adresnih registara koji sadrže adresu u postupku pribavljanj a podataka ili instrukcija, D relokacijskih ili segme n,tnih registara koji se upo trebljavaju kao kazala za pojedine memorijske segmente u memorij skom prostoru . Mikroprocesori, već prema arhitekturi imaju sve ili samo nekt' od nabrojenih komponenata.
je računalo koje ima centralnu procesnu jedinicu izvedenu u tehnologiji VLSI ili LSI, memoriju s izravnim pristupom (RAM Ran dom Acces Memory), ispisnu memoriju (ROM Read Only Memory) , ulazno-izlazne (UlI) međusklo pove, generator signala vremenskog vođenja, po moćne sklopove (izvor napajanja, sklop za upućiva nje i sl . ) . Mikroračunalo može imati i druge module posebne namjene, kao što su npr. memorijska uprav ljačka jedinica (MMU - Memory Management Unit), koprocesor ili matematički procesor, procesor za izravni pristup memoriji (procesor DMA) i sl.
. Mikrororačunalo
-
-
Mikroprocesor j e konstruiran tako da preko sabir nica (engl. bus) saobraća s memorijskim modulom, modulom UlI i s modulima posebne namjene. Sabir nica koja predstavlj a komunikacijski put između mikroprocesora i ostalih modula mikroračunala obično se naziva vanjska sabirnica3• Vanjska sabir nica zapravo je skup linij a koje su grupirane po namjeni, tako da govorimo o adresnoj sabirnici, sabirnici podata ka i upravljačkoj sabirnici. Slika 1.2. prikazuje blok-shemu mikroračunala.
Upravljački sklopovi sastoje se od:
posebnog adresnog registra programskog bro koje sadrži adresu sljedeće instrukcije, D instrukcijskog registra gdje se nalazi operacijski kod instrukcije koj a se upravo izvršava, D
-
jila
o
niza registara pretpribavljenih instrukcija,
I C:ip je elektronički sklop oblikovan u tehnologiji VLSI u skladu s mikronskim ili podmikronskim pravilima, dimenzija 6 x 6mm (i većim) i ima više od 50 tisuća aktivnih komponenata. , Upravljačka jedinica mirkoprocesora obično je ostvarena kao mikroprogramirana jedinica (pog. 6) 3 Upotrebljava se i izraz »sabirnica mikroračunala •.
8
Naprednije arhitekture mikroprocesora registri podataka
ROI
RDD
RD2
I�
31
-.
..
DO-DI5 -y
sabirnica
pOdataka
RD7
(
7
O
RAl
-- -
I
15
�I
RAO
� iV'
"'r-
adresna
sabi�ic
A I-A23 �
f--.
stoga - p rogr a mske brojilo kazalo stoga
RAJ
kazalo
RA7'
PC
...
10;
�
n
registar uYjeta
v
r
-logička
I
SR
-....
�� I
instrukcijsld regIstar
linije zahtjeva za prekid
upravljački si g n a l i (sabirničkj)
3
l
,.A---
'\.)'
BR
HLT
� VPA
jedinica
upraylja1'ka
2
jedinica
AS R!W BG
E
VMA
> CIk
f-
/
DTACK
BGACK
aritmetička
RESET
4
1
>
linije za biranje_
podataka UDS, LDS
upravljački
signali
SI. 1.1. Pojednostavnjena funkcionalna blok-shema dvaju 16-bitnih +SV/GND
mikroprocesora (MC 68000)
Vrlo se često pojam mikroračunala i mikroračunalski sustav poistovjećuju. Mi ćemo pod mikroralunalskim sustavom razumijevati mikroračunalo s raskošnijom periferijom (npr. prikazna jedinica s katodnom cije vi, diskovna jedinica, pisač) i nešto jačom program skom opremom (DOS - diskovni operacijski sustav). Razvoj tehnologije VLSI omogućio je izvedbu »mi kroračunala u jednom čipu« (engl. »microcomputer on-a-chip«) koji osim centralne procesne jedinice
imaju memorije RAM i ROM, UlI međusklopove, generator signala vremenskog vođenja, programa biIne vremenske sklopove i slično na istom čipu (npr.
mikroračunala Intel 8048, TMS 9940, Motorola
6801).
9
Uvodno poglavlje
EU - jedinica za jzvođenje instrukcija i upravljanje
15
AL BL
AH SH
CL
CH
DL
DH
kaz a la stoga kazalo baze
iz'Vorni indeksni reg.
]l
odredišni indeksni ,eq.
O
I
,
I
I I I I
SP
BP SI
, DI
jedinica
55
kazalo instrukcije
.
,-'
I I I
T O
\{
CS
segmentni reg. stoga seqmentni reg. podataka
I
-loQička
u"-'jeta
sabirnički meduskiopi
upravljanje
I I I
V
I
TEST
)
-l
l inii e
ADiS-ADa
RD LOCK/WR
, egistri
3
I .
I
'/
O
::;:
ct
Z �
SI. 1.1. Pojednostavnjena funkcionalna blok-shema dvaju J6·bitnih mikroprocesora
(Intel 8086)
... Q
vanjska sabirnica (sabirnica mikrora�unala)
!
(adresne linije, l inije po d a ta ka , upravljačke linije)
moduli posebne na m j ene
MMU, k oproce sor
mikroprocesor
CPU u
VLsIlLSI
RAM modul
tehnologijI
ROM modul
U/l moduli
generator
sklop za up ući vanj e
(RESET)
l)
s I gnala vremenskcg
vođenja I)
paralelna iserijska
komunikacija
s
vanjskim svij e t om
novl l i mikroprocesori imaju generator signala vremenskog vodenja izraden na sa mom mikro procesor.kom čIpu
�
"I::l
�
§-
.::: . .. ' I:>
3-
�.
� nl
�
.g Sl. 1.2. Blok·shema mikrora�unala
�
il
11
Uvodno poglavlje
1.3. Kratak povijesni pregled razvoja mikroprocesora - mikroprocesorske generacije
Tablica 1.1. Predstavnici prve generacije mikroprocesora 4-bitni mikroprocesori Intel 4004 Intel 4040 Fairchild PPS-25 National IMP-4 Rockwell PPS-4 Microsystems Intel MC-l
Povijest mikroprocesora započinje početkom 1971.
godine kada je tvrtka Intel Corporation dala na
tržište Intel 4004, tzv. »mikroprogramabilno računalo
na čipu«
(engl. »micro-programmable computer on a
8-bitni mikroprocesor
chip«). Bio je to 4-bitni uređaj izveden u P-kanalnoj
Intel 8008 National IMP-8 Rockwell PPS-8 Ami 7200 Mostek 5065
MOS tehnologiji i imao je oko 2300 tranzistora
integriranih na čipu. Intel 4004 imao je skup od 45 instrukcija.
Prvi 8-bitni » pravi«
mikroprocesor
pojavljuje
se
na
tržištu 1972. Bio je to Intel 8008, tvrtke Intel Corpo
16-bitni mikroprocesor
ration.
U toku sljedeće dvije godine pojavili su se još i danas
National National
vodeći 8-bitni mikroprocesori Intel 808 0 , Motorola
MC6800 i drugi. Od tada
nastupa
nezaustavljiv raz
voj mikroprocesora. Zahvaljujući napretku tehnolo gija LSI i VLSI, mikrop rocesor
postaje
simbol
treće
industrijske revolucije. Za petnaest godina razvoja
broj komponenata na mikroprocesorskom čipu pove
ĆilO se
za dvije stotine puta
(! l),
frekven cij a signala
vremenskog vođenja se povećala za pedeset puta, moć obrade za dva do tri reda veličine.
a
U početku mikroprocesori su bili zamišljeni kao
upravljački sklopovi i bili su namijenjeni zadacima
sustavima za
u
upravljanje procesima. Imali su ograni
čen skup instrukcija i programirali su se izravno u strojnom jeziku. Međutim,
razvoj
tehnologije LSI, razvoj arhitekture
procesora, upotreba viših programskih jezika, pove
ćanje računske moći i prilagodljivosti doveli su do
prave eksplozije primjene mikroprocesora.
-7 Prema značajkama tehnologije i arhitekture mikro procesori se mogu razvrstati u četiri generacije: •
Prva generacija mikroprocesora većinom je bila
izvedena u PMOS tehnologiji. Mikroprocesorski čip je imao šesnaest priključaka, a procesor sve
značajke interne jednosabirničke arhitekture. Mi
kroprocesQri
su bili namijenjeni
za
jednostavnije
industrijske primjene, jednostavne uređaje opće namjene i jednostavnije uređaje Tablica
1.1
posebne namjene.
sadrži pregled predstavnika mikropro
cesora prve generacije.
Zanimljivo je da se već u prvoj generaciji mikro
procesora pojaVljuju šesnaestobitni mikroproce
sori (krajem 1974.godine). Međutim, ti bitni mikroprocesori ostali
su u
šesnaesto
sjeni 8-bitnih
i mali izravno
!ls)
(od 32
do 64 K
IMP/16 PACE
adresabiIni
riječi).
memorijski prostor
ostvarena je u se 1973. godine. Osnovne su značajke druge generacije: veća po vršina čipa, čip s četrdeset ak priključaka, moguć nost izravnog adresiranja 64 K memorijskog pro Druga generacija mikroprocesora
•
tehnologiW NMOS i pojavljuje
stora, beže izvođenje operacija, snažniji skup ins
trukcija, više razina gniježđenja potprograma, bo lje rukovanje prekidom.
komponente
vratima), veća 5
K
Osnovne elektroničke
su brže (vrijeme kašnjenja 15 ns po
je
gustoća njihove
i ntegracije (4 do
aktivnih komponenata na čipu) i imaju manji
potrošak. Pojavljuju se i mikroprocesori ostvareni
u tehnologiji CMOS koji imaju krajnje malen
potrošak (za razred veličine manji nego NMOS) i veliku neosjetljivost na šum (npr. mikroprocesor
. COSMAC 1802 tvrtke RCA,1974).
U drugoj generaciji pojavljuju se mikroprocesori s
jedinstvenim napajanjem od +
5 V,
sa sklopovima
za generiranje signala vremenskog vođenja integri ranim na istom čipu, te sa sklopovima za osvježa
vanje dinamičke memorije (npr. mikroprocesor
Z80 tvrtke Zilog, 1978).
Tablica 1.2 daje pregled reprezentativnih mikro
procesora
druge generacije.
Ubrzo nakon pojave prvih mikroprocesora
generacije
pojavila se na tržištu
iz d ruge
(1974) posebna vrsta
mikroprocesora - bitovni odresci5 (engl. bit-slice).
Mikroprocesori na osnovi bitovnih odrezaka razli
kuju
se od mikroprocesora
s određenim instrukcij-
mikroprocesora i napora što su ih proizvođači i
konstruktori ulagali
u
razvoj 8-bitnih mikroproce
sorskih porodica. Osnovne značajke 16-bitnih mi
kroprocesora prve generacije jesu relativno sporo
izvođenje instrukcija (vrijeme izvođenja od
2 do
8
NMOS predstavlja visokog.stupnja integracije i velike
• Tehnologija
, Nazivaju
najbolji brzIne.
kompromis između
se ibitovni režnjevi ili bitovne kriške.
Naprednije arhitekture mikroprocesora
12
Tablica 1.3. Pregled bitovnih odrezaka
Tablica 1.2. Predstallnici druge generacije mikroprocesora 8-bitni
mikroprocesori
Intel 8080 Intel 8085
Motorola MC6800 Motorola MC6809 RCA COSMAC CDP
MOS Tech. 6500
1802
Naziv serije
Tehnologija
Advanced Micro Devices
2900
Schottky TIL
4
16,67
Fairchild
Macrologic
Schottky TIL ICMOS
4
10
Motorola
FlOO220 MC 10800 MC 10902
ECL ECL ECL
8
Zi10g Z80
12-bitni mikroprocesor Intersi! 6100 Toshiba TLCS-12 1 6-bitni
m ik roprocesor
TI TMS 9900
DEC W.D.MCP-l600 General Instrument CPl600 Data General !!N601
skim skupom po svojstvenom pristupu arhitekturi. Funkcije upravljanja i obrade podataka ovdje su izdvojene na različitim čipovirna. Upotreba bitovnih odrezaka kao osnovnih građevnih blokova omogu ćuje izvedbu mikroprocesora proizvoljne duljine ri ječi (npr. 12, 24, 28, 4& bitova) , dok upotreba mikroprogramiranja omogućuje oblikovanje skupa instrukcija koji odgovara korisnikovim aplikacij ama. Osnovna struktura bitovnog odreska jest sklop RALU ( Register Arithmetic Logic Unit) koji se sastoji od: - aritmetičko-Iogičke jedinice, - skupa registara, - međuregistara s multipleksorima za ulazne i izlazne linije. Povezivanjem sklopova RALU u kaskadu dobiva se procesna sekcija potrebne duljine riječi. Upravlj ačka sekcija je ostvarena s posebnim čipo virna i sastoj i se od: -
mikroprogramskog sljednika, mikroprogramske memorije, sklopova izborne logike, protočnih (engl. pipeline) registara.
Mikroprocesori na bazi bitovnog odreska izvedeni su u brzim bipolarnim tehnologijama i upotrebljavaju se kao osnova procesora u sustavima gdje se zahti jeva veća brzina obrade (npr. sustavi za obradu u stvarnom vremenu). Tablica 1 . 3 daje pregled bitovnih odrezaka. Treća generacija mikroprocesora j e generacija 16-bitnih mikroprocesora. Prvi mikroprocesor iz te treće generacije (j avlja se 1978) je 16-bitni mikroprocesor Intel 8086. Ostvaren je u tehnolo•
Duljina Frekvenriječi cija MH,
Proizvođač
4 8
50
20
50
RCA
EPCI
CMOS/SOS
8
10
Sig�tics
3000
Schottky TIL
2
10
LPSTIL
4
10
TI
54n4S48l
giji HMOS (engl. high-performance MOS) i irna 29 K aktivnih komponenata. Njegov nasljednik Intel 80286, koji se na tržištu pojavio 1982, ima već 130 K aktivnih komponena ta. U treću generaciju mikroprocesora uvrštavaju se · i danas vodeći šesnaestobitni mikroprocesori Z8000 (tvrtka Zilog, 1979) i MC68oo0 (tvrtka Motorola, 1980) NS16016 (tvrtka National, 1981). Mikroprocesorski čipovi imaju 40, 48 ili 64 pri ključka na integriranom kućištu i imaju signale vremenskog vođenja frekvencije od 4 do 10 MHz. Arhitektura procesora s velikim brojea repstara, mikroprogramabilnom upravljačkom jediaicom te sklopovima za množenje i dijeljenje daje .. velike 'sposobnosti obrade; imaju raznovrsne aafiDe adre siranj a i skup instrukcij a koji prem:llŠajc razinu onog za miniračunala. Mikroprocesori � ar hitekturom podržavaju razvoj p� 11 višim programskim jezicima. Izravno adresabiini prostor miluoprUCCiLCa treće generacije irna l do 48 M bajun.... a lIpOUebom memorijskog upravljačkog sklopa (lOlU) može se još povećati (npr. na 64 M bajfDl"a)_ Tablica 1 .4 daje pregled osnovnih DDČ:iIjli 1I'Odećih 16-bitnih mikroprocesora treće gucaM ye • Cetvrta generacija mikroproc.e:so- je .-=ncija 32-bitnih mikroprocesora. 16-bimi ....ua:so r .. . MC 68000 sa svojom 32-bitnom il. adlitekturom predstavlja most iZmedR lJI:iie i ldvrte generacije mikroprocesora. PRi ...-. 32-bitni mikroprocesor pojavio se 1981 - ID je Imelov iAPX 432. Ostvaren je na tri čipa. MIiIa lOP su se pojavili Bellmac-32 (BeD Ula) iitWaIen na jednom čipu, HP-32 (Hewlett-l"xblll.. 1982). NS16032 (National , 1982) te MC 6III!D (IIoIorola,
13
Uvodno poglavlje Tablica 1.4. Osnovne značajke vodećih J6-bilnih mikropro cesora treće generacije Intel8086
Z8000
MC 68000
Intel80286
Int el
Zilog
Motorola
Intel
1978
1979
1979
1982
95
110
61
121
14
16
16
14
40
40/48
64
68
IM
48M
16M
16M
II
6
14
8
Frekvencija signala vr emen skog vodenja, MHZ
5
2,5-3,9
5-8
11--10
U nifor m na
-
-
Virtualna me m or ija
-
-
-6
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
Mikroprocesor Tvr t
ka
God. pojavljivanja Broj osnovnih
instrukcija Broj registara opće n a mjene Br oj priklju čaka
na
integralnom kućištu
Izravno a dre sabil o i prostor (bajtova) načioa adre si ra oja
Broj
adresabilnost
Osnovni tipovi podataka
- bajt ili riječ - dvostruka riječ - bi t - logički (bajt, riječ) - niz znakova - BCD (bajt) - podaci prikazani broj e m s pom ič-
-
+
-
+
+
-
+
+
+
+
+
-
-
-
-
+
nim zarezom
Struktura podataka: - stogovi
- polja
- zapis (recer d )
- nizovi
Osnovne upravljačke strukture:
- grananja - uvjetna grananja - pozivanje potp rograma - višeznačno grananj e - semafori - zamke - prekidi
6 Motorola MC
+
+
+
+
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
-
+
1984). Osnovne su zn ačaj k e arhitekture mikropro cesora četvrt e genera cij e razina arhitekture koja odgovara razini arhitekture centralno procesnih jedini ca velikih računala: protočnost , priručna (engl. c ach e ) memorija, virtualna memorija. Stu panj integracij e je izuzetno visok, npr. HP-32 ost varen je u tehnologiji NMO S i ima 450 K akti vnih komponenata integriranih na čipu. Fre kvencija signala vremenskog vođenja j e u g rani cama od 8 do 32 MHz. Virtualni adresni prostor je veličine 24() bajtova, a izravno adresa bi lni prostor jc od 224 do 232 bajtova . Broj os n ovnih instrukcija je od 82 do 230. Naprimjer, 32-bitni mikroprocesor MC 68020 ima ove zna čajk e :
- vir tu al nu mem orij u , - šcsnaest 32-bitnih registara pod a tak a i adresnih re gistar a , - dva nadgledna kazala stoga, - 32-bitno programsko brojilo, - pet upravljačkih reg is ta ra poseb ne na mjene , - 4 G (giga) bajta izravno ad resabilnog m e mor ij skog prostora, - dvije brzine obrade (signali vremenskog vođe nj a 12 i 16 MHz), - 18 načina ad r e sir anja , - sučelj e za koproc eso r , - prir u čnu me m o rij u , - obrađuje se d a m tipova p odataka , - aritrnetiku brojeva s p o mičnim zarezom podržanu kop roc esorom MC 68881, - protočnu arhitekt uru, - perform ansu oko 2 MIPS (Million Instruction per Se cond) .
Procesori četvrte generacije m i k rop roce sor a nami jenjeni su za centraln e p roce sne jedini ce velikih računalskih sus t ava , za primj e nu u distribuiranoj obra di u višek orisničkim okolinama.
Tablica 1.5 prik azuj e o snov ne z načaj ke četiriju 32- bitnih mikroprocesora četvrte generacije .
Na kr aj u ovoga kratkog p regled a mikroprocesorskih gen eracij a bilo bi zanimlj ivo pogled ati cij ene 8-, 16i 32-bitnih mikroprocesora.
Tablica
1.6 daje pregled cijena p oj edin ačn ih mikro
procesora (z a narudžbu od 100 k oma da) u stu de nom
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
68010 (1982.godina) ima virtualnu
memoriju
1985. g odine .
Zanimljiv je podatak koji ilustrira pad c ijena mikro procesora, npr. mikroprocesor MC68000 je 1979. stajao 249 $, Intel 8086 86 $, a mikroprocesor Z800a 139 $- nj ihove su se cijene de se te r ostru ko smanjile za nepunih šest godina (stu de ni 1985).
14
Naprednije arhitekture mikroprocesora
Tablica 1.5. Osnovne značajke mikroprocesora četvrte gene racije
Mikroprocesor
Tvrtka
Godina pojavljivanja Tehnologija
Broj aktivnih
komponenata
Potrošak
Frekvencija
signala vre-
vođenja
menskog
Izravno adresabiini (bajta )
prostor
instrnkcija
Broj osnovnih
Načini
adresiranja
Vrijeme po-
32-bitno cje-
trebnoza lobrojno
NSl6032 Na
tional
1982.
NMOS 60000
1,25W !o MHz 2"
82
Bel1mac-32 BeULabs
1982.
HP-32 iAPX432
�ewlettPackard
1982.
1981.
146000
450000
na 3 čipa
O,7W
10 MHz
4W
32-bitno
potrebno za
cjelobrojno
brojeva s pomičnim
169
1600 ns
400 ns
8.3�
9�
zarezom
7,1
tAS
64 bita