Università di Trieste. Microprocessori. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 1

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1 Microprocessori Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 1

2 Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 2

10 Introduzione Vale la pena ricordare la legge di Moore che dopo ben 35 anni si rivela ancora azzeccata Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 10

11 Microprocessore:Generalità è il cuore dell elaboratore è caratterizzato dalla velocità, dal numero di bit dei registri, dall architettura comunica con memorie e mondo esterno attraverso il bus. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 11

12 Microprocessori: componenti interni Componenti Principali ALU, Arithmetic Logic Unit Control Unit Registri Interni PC, il registro contatore di programma IR, il registro delle istruzioni SR, il registro di stato SP, il registro puntatore di pila IX, il registro indice Il coprocessore matematico La memoria cache Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 12

13 Microprocessori: componenti interni Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 13

14 Microprocessori: evoluzione interna Strategie adottate per rendere più veloci i processori: Pipeling (pipeline multilivello e superpipeline) Architettura Superscalare Branch Prediction (previsione di salto) Esecuzione speculativa Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 14

15 Microprocessori: funzionamento Esecuzione passo passo delle istruzioni (sequenzialmente) conservate in memoria Per ogni istruzione deve: Individuare (indirizzare) l istruzione in memoria; Leggere (prelevare) l istruzione dalla memoria al suo interno; Interpretare l istruzione, allo scopo di capire (decidere) che cosa deve fare; Eseguire l operazione richiesta dall istruzione (agire). Inoltre, il microprocessore deve anche: Controllare il trasferimento dei dati con i circuiti di memoria e di I/O. Rispondere alle richieste di servizio provenienti dalle periferiche. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 15

16 L'esecuzione di ogni istruzione è un processo che si realizza in una serie di passi: La CPU legge dalla memoria l'istruzione da eseguire e la conserva in un registro interno. Identifica l'istruzione che ha appena letto. Verifica se l'istruzione ha bisogno di utilizzare nuovi dati di memoria e in questo caso determina dove cercarli. Cerca i dati nella memoria e li porta in un registro della CPU. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 16

17 Esegue l'istruzione propriamente detta. In questo passaggio può dover tornare a comunicare con la memoria o con un elemento esterno alla CPU. Ritorna al punto uno per iniziare l'esecuzione di una nuova istruzione. Il set di istruzioni si può suddividere in 5 gruppi. Istruzioni di trasferimento. Istruzioni logiche. Istruzioni aritmetiche. Istruzioni di salto. Istruzioni di controllo. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 17

18 Formato di una istruzione Codice operativo (Op Code) Indirizzo Modalità di indirizzamento implicito immediato diretto indiretto indicizzato di pagina zero Set di istruzioni/processori CISC e RISC Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 18

19 Microprocessori: fasi di costruzione A:Realizzazione delle lamine di silicio. B:Realizzazione del circuito. C:Verifica dal punto di vista elettrico. D:Taglio e packaging. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 19

20 Progettazione e generazione di maschere Processo di fotolitografia e incisione Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 20

22 Microprocessore: metri di paragone La velocità del clock La memoria cache L architettura Il set di istruzioni La densità Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 22

23 I microprocessori X86:evoluzione Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 23

24 I microprocessori X86:evoluzione Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 24

25 1971: 4004 I microprocessori X86 più famosi Il processore 4004 è il primo microprocessore ed il primo di Intel. G. Moore, R. Noyce (fondatori dell Intel) M. Hoff e F. Faggin creano il 4004 (4000 transistor ed architettura interna a 4 bit) Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 25

26 1972: 8008 Il processore 8008 aveva il doppio della potenza del processore Secondo la rivista Radio Electronics, un hobbista di informatica, Don Lancaster, utilizzò il processore 8008 per creare un predecessore del primo personal computer, un dispositivo che Radio Electronics soprannominò "macchina per scrivere con TV". Veniva utilizzato come terminale muto. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 26

27 1974: 8080 Il processore 8080 diventò il cervello del primo personal computer, l'altair, che pare fosse il nome di una destinazione della navicella spaziale Enterprise nel telefilm Star Trek. Gli hobbisti di informatica potevano acquistare un kit per l'altair al prezzo di 395 dollari. In pochi mesi, ne furono vendute decine di migliaia, dando luogo ai primi arretrati di ordinativi di PC nella storia. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 27

28 1978: Grazie ad una vendita importante alla nuova divisione di personal computer di IBM, il processore 8088 diventò il cervello del nuovo prodotto di punta di questa società, l'ibm PC. Il successo del processore 8088 comportò l'inserimento di Intel nelle classifiche di Fortune 500, e la rivista Fortune definì questa società uno dei trionfi aziendali degli anni settanta. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 28

30 Processori anni Introdotto Velocità del clock 108Khz 108KHz 2MHz 5MHz,8M Hz,10MH z 5MHz,8M Hz Bus 4 bits 8 bits 8 bits 16 bits 8 bits N transistors (microns) 2300 (10) (6) (3) (3) Memoria indirizzabile 640bytes 16Kbytes 64Kbytes 1Mbytes 1Mbytes Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 30

31 1982: Il processore 286, noto anche come 80286, è stato il primo processore Intel che consentiva di eseguire tutto il software scritto per il suo predecessore. Questa compatibilità software rimarrà la caratteristica principale di tutta la famiglia di microprocessori Intel. Secondo alcune stime, entro 6 anni dall'introduzione del processore 286 i personal computer basati su questo processore erano 15 milioni in tutto il mondo. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 31

33 1985: i386 Il microprocessore Intel i386tm aveva transistor, un numero più di cento volte superiore rispetto all'originale processore Si trattava di un chip a 32 bit ed era "multitasking", nel senso che consentiva di eseguire più programmi contemporaneamente Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 33

34 1989: i486 DX Costituisce un' evoluzione della precedente famiglia 386 rispetto alla quale aggiungeva, sullo stesso chip dei processore, 8 KByte di cache di primo livello e un'unità per il calcolo in virgola mobile. La cache di primo livello viene usata per accelerare l'accesso a dati e alle istruzioni che altrimenti dovrebbero essere recuperate ogni volta dalla memoria esterna, con maggiori cicli di attesa. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 34

35 Nasce come processore per le applicazioni multitasking (diverse operazioni attive in contemporanea) e, a seconda della frequenza di lavoro, offre una potenza da due a cinque volte superiore rispetto a quella di un 386. Il 486 in versione originale, detto anche 486DX, conteneva transistor fabbricati con uno spessore di 1 micron (un millesimo di millimetro) e usava 168 piedini. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 35

37 Processori anni i386dx i386sx i486dx Introdotto Velocità del clock 6,12.5M Hz 16-33MHz 16-33MHz 25-50MHz Bus 16 bits 32 bits 16 bits 32 bits N transistors (microns) 134K (1.5) 275K (1) 275K (1) 1,2M (0.8,1) Memoria indirizzabile 16Mbyte s 4Gbytes 4Gbytes 4Gbytes Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 37

38 1993: Pentium Il processore Pentium consentiva ai computer di incorporare più facilmente i dati del mondo reale, come le parole, il suono, la scrittura manuale e le immagini fotografiche. Il marchio Pentium, menzionato nei fumetti e nei talk show televisivi, è diventato un termine di uso comune subito dopo la sua introduzione. E un processore compatibile con l insieme delle istruzioni sviluppato per il 386, ma usa al suo interno una doppia unità di calcolo aritmetica sugli interi per eseguire, quando le circostanze lo consentono, due istruzioni in contemporanea. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 38

40 Code Cache Branch Prediction 256 bit (32 bytes) 64 Prefetch Buffers bit Bus interface U Integer ALU Integer ALU V Pipelined Floating Point Unit Mul Register Set Add 64 Div Data Cache 64 Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 40

41 Pentium MMX Una particolare versione dei processore Pentium di Intel concepita appositamente per accelerare l'esecuzione di alcune funzioni multimediali. In particolare usa 57 istruzioni speciali che manipolano audio, grafica 2D e 3D, video, sintesi e riconoscimento vocale e trasmissione dati. Tutti i processori Intel successivi al lancio dei Pentium MMX sono dotati di queste istruzioni aggiuntive. Ha di fatto rimpiazzato il Pentium tradizionale a partire dall'8 gennaio 1997, per poi completare la propria vita commerciale nel Monta una cache di primo livello integrata di 32 KByte (doppia rispetto a quella montata sul Pentium). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 41

42 Pentium MMX E' stato prodotto anche in versione a basso consumo per notebook, detta Tillamook, e tutti i suoi modelli usano un bus verso la memoria a 66 MHz. Le frequenze disponibili sono 166, 200, 233 e 266, con una versione a 150 MHz unicamente dedicata ai portatili. Usa dimensioni costruttive per i singoli transistor di 0,35 micron con una tensione di alimentazione interna di 2,45 volt e una tensione dì alimentazione esterna (verso la scheda madre) di 3,3 volt. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 42

43 1995:Pentium Pro Presentato nell'autunno del 1995, il processore Pentium Pro è stato progettato per potenziare le applicazioni a 32 bit a livello di workstation e di server, in quanto consente di effettuare operazioni veloci di CAD, ingegneria meccanica e calcolo scientifico. Ogni processore Pentium Pro viene fornito insieme ad un secondo chip di memoria cache per il potenziamento della velocità. Il potente processore Pentium Pro vanta 5,5 milioni di transistor. BUS Controller Bus multiprocessor 64 bit ECC 36 bit di indirizzo (64 GB) Frequenza selezionabile 1/2, 1/3 & 1/4 del clock CPU Esecuzione dinamica Clock 133 MHz Cache L1 8K APIC Totale compatibilità software 2.9 V - 20 W 5.5m transistor 0.6 µ BICMOS Cache L2 256K Associativa a 4 vie Non bloccante Protocollo MESI 4 Clock Tacc Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 43

44 1997: Pentium II Il secondo processore Intel della famiglia P6 (il primo era il Pentium Pro). Annunciato il 7 maggio dei 1997, il Pentium II coniuga le funzioni MMX per le applicazioni multimediali, già presenti nel Pentium MMX, e un'architettura di calcolo superpipelined. Dispone di 32 KByte di cache di primo livello integrata, a differenza dei Pentium Pro che ne montava 16 KByte. Questo incremento serve a compensare parzialmente la minore efficienza disponibile sulla cache di secondo livello che, per ragioni di costo, è stata tolta dal chip che ospita il processore e piazzata a fianco dei processore su una speciale schedina-cartuccia che li monta entrambi. La cache di secondo livello dei Pentium Pro, essendo interna, funzionava alla stessa frequenza dei processore,qui invece funziona a metà frequenza. Inoltre, nelle ultime versioni dei Pentium Pro arrivava a 1 MByte, qui invece si ferma a 512 KByte Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 44

47 Pentium II La particolare cartuccia che ospita il Pentium II s'inserisce sulla scheda madre per mezzo di un particolare connettore, detto Slot 1, che solo Intel ha il diritto di utilizzare. L'impiego della schedina serve a rendere autonomo il processore e la cache di secondo livello dal busdella memoria residente sulla scheda madre, che funziona a 66 oppure a 100 MHz, e a semplificare la connessione dei processore con quest'ultima. Infatti il Pentium Il dispone di 528 piedini contro i 387 del Pentium Pro e non sarebbe stato pratico realizzare uno zoccolo con altrettanti poli, né sarebbe stato utile montare la cache ci secondo livello direttamente sulla scheda madre. Usando invece la cartuccia SEC (Single Edge Contact per Slot 1 bastano 242 contatti per unire Pentium II e relativa cache alla scheda madre. Questo processore contiene 7,5 milioni di transistor (più dei doppio rispetto al Pentium) ed è stato prodotto anche in versione a basso consumo (1,7 e 1,6 volt di tensione interna) per i portatili, con un contenitore a cartuccia realizzato ad hoc. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 47

49 1998: Celeron Prima versione del processore sviluppato da Intel come alternativa a basso costo del Pentium II. Usa lo stesso nucleo del Pentium II ed anche lo stesso contenitore (Slot1), ma è totalmente privo di cache di secondo livello. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 49

50 1999: Pentium III E l evoluzione del Pentium II, ma con l implementazione di 70 nuove istruzioni le KNI (MMX2). E realizzato con tecnologia 0,18 micron ( le prime versioni erano a 0,25). Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 50

52 Esistono altri costruttori di microprocessori!!! Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 52

53 I processori concorrenti di Intel Cyrix 6x86MX Alternativa a basso costo dei Pentium MMX di Intel. Usa frequenze peculiari sul bus di comunicazione della memoria per raggiungere prestazioni competitive senza utilizzare fa costosa SDRAM a 100 MHz certificata PC100 e senza utilizzare frequenze elevate all'interno dei chip. Il valore di PR rating indica, secondo l'azienda, quale Pentium viene emulato in termini di prestazioni. PR 166 identifica, ad esempio, un Pentium a 166 MHz. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 53

54 I processori concorrenti di Intel Cyrix MII Evoluzione dei Cyrix 6x86MX, rispetto al quale è identico in termini architetturali. Eleva semplicemente la frequenza di funzionamento. IBM lo produce con il vecchio nome di 6x86MX. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 54

55 Cyrix MediaGX Un processore economico che integra nello stesso chip: processore, interfaccia video e audio, controllo della memoria e controllo dei bus PCI. Praticamente è un PC completo su chip singolo e consente perciò di fabbricare macchine molto economiche che competono con il Pentium MMX di Intel fornendo le stesse funzioni multimediali di questo ultimo. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 55

56 AMD K6 Annunciato nell'aprile 199, il K6 ha subito riportato in gioco AMD dopo la deludente stagione dei K5. Perfettamente compatibile con il Pentium MMX Intel, il K6 ha un'architettura "pipeline" e superscalare più sofisticata del Pentium MMX. Le versioni fino a 200 MHz sono costruite con geometria da 0,35 micron e 8,8 milioni di transistor alimentati come gli MMX Intel a due tensioni differenti: 3,3 volt esterna e 2,9 per il core. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 56

57 AMD K6-2 Evoluzione dei processore K6 sviluppato. Nasce per competere con i processori Pentium Il Klamath e Celeron di Intel nella fascia bassa di mercato. Incorpora una serie di istruzioni per il calcolo 3D concepite espressamente per velocizzare i giochi a computer e concordate con Cyrix e IBM che le inseriranno nei rispettivi processori al fine di creare una specie di standard fino all'arrivo dei Pentium Il Katmai di Intel che porterà sul mercato le proprie istruzioni 3D. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 57

58 AMD K6-3 Evoluzione dei processore K6 sviluppato da AMD. Nasce per competere con i processori Pentium Il Deschutes e Celeron Mendocino di Intel nella fascia media dei mercato.monta 256 KByte di cache di secondo livello integrata. Fabbricato in tecnologia 0,25 micron e dotato di 21 milioni di transistor, il K6- III è ancora compatibile con le classiche schede madri Socket 7 seppure in versione Super 7 con bus da 100 MHz e una cache su scheda da 512 Kilobyte a 2 Megabyte. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 58

59 AMD Athlon K7 Settima generazione di processori AMD è un evoluzione della serie K6 basata su architettura RISC. Il cuore è superscalare con ben 9 unità di esecuzione interna (3-3-3), ciascuna suddivisa in più stadi di esecuzione. Supporta le istruzioni 3DNow, MMX e le ulteriori 24 istruzioni del 3DNowII. Ha 128 Kbyte di cache di primo livello. Usa un nuovo tipo di cartuccia chiamato Slot A. Per l Athlon anche nuovo bus, un derivato del EV6 di Digital, scalabile fino ai 400Mhz. Calcolatori Elettronici a.a Omero Tuzzi Microprocessori 59