AKADEMIA BYDGOSKA im. KAZIMIERZA WIELKIEGO

WYDZIAŁ MATEMATYKI TECHNIKI I NAUK PRZYRODNICZYCH

KATEDRA FIYKI

Arkadiusz Nowak

Budowa i rola mikroprocesora – jego miejsce w zestawie

komputerowym.

Praca licencjacka
wykonana pod kierunkiem
dr Karola Grudzińskiego

Bydgoszcz 2005

Dziękuję Panu Doktorowi
Karolowi Grudzińskiemu za
pomoc w wykonaniu
niniejszej pracy.
Dziękuję również pozostałym
Pracownikom Katedry Fizyki
za to, że przez trzy lata
studiów rzetelnie i
profesjonalnie przekazywali
mi wiedzę.

Spis treści

1. Wstęp

........................................................................................................

5

2. Współczesny zestaw komputerowy

........................................................

7

2.1. Krótka historia komputera osobistego – PC

..................................................

7

2.2. Budowa i rola elementów składowych jednostki centralnej i innych

elementów zestawu komputerowego

...................................................

10

2.2.1. Płyta główna

.........................................................................................

11

2.2.2. Mikroprocesor

......................................................................................

12

2.2.3. Karty rozszerzeń

...................................................................................

12

2.2.4. Pamięć RAM, Cache, FLASH i CMOS

................................................

13

2.2.5. Dysk twardy oraz inne czytniki nośników pamięci

...............................

14

2.2.6. Złącza (gniazda) urządzeń peryferyjnych (widziane na obudowie

jednostki centralnej

............................................................

15

2.2.7. Zasilacz jednostki centralnej

................................................................

16

2.2.8. Elementy zestawu komputerowego spoza jednostki centralnej

............

16

3. Mikroprocesor

.......................................................................................

18

3.1. Wyjaśnienie pojęcia „mikroprocesor”

..........................................................

18

3.2. Budowa mikroprocesora

................................................................................

18

3.2.1. Tranzystor i układ scalony

...................................................................

18

3.2.2. Schematyczna budowa mikroprocesora

...............................................

19

3.2.3. RISC i CISC

..........................................................................................

21

3.3. Rola i zasada działania mikroprocesora

.......................................................

21

3.3.1. Potokowość

..........................................................................................

22

3.3.2. Techniki przyspieszania

........................................................................

23

3.3.3. Dostęp do pamięci

................................................................................

25

3.3.4. Pamięć Cache

.......................................................................................

26

3.3.5. Funkcje kontrolne i sterujące

...............................................................

27

3.3.6. Częstotliwość taktowania

.....................................................................

27

3.3.7. Dostarczanie energii

............................................................................

28

3.3.8. Koprocesor

...........................................................................................

29

3.3.9. Rozszerzenia

.........................................................................................

29

3

3.4. Rozwój mikroprocesora na przestrzeni ostatnich lat

..................................

29

3.5. Przykłady mikroprocesorów aktualnie dostępnych na rynku – porównanie

.................................................................................................................

32

4. Wizja rozwoju mikroprocesora w związku z obecnym stanem

techniki oraz współczesnym postępem technologicznym

................

34

4.1. Ocena obecnej sytuacji dotyczącej mikroprocesorów

.................................

34

4.2. Próba określenia kierunku, szybkości oraz strategii rozwoju

mikroprocesora

.....................................................................................

35

5. Podsumowanie

.......................................................................................

37

6. Literatura

...............................................................................................

38

4

1. Wstęp

Przedmiotem niniejszej pracy jest próba dokonania przeglądu dotyczącego

mikroprocesorów numerycznych. Koncepcja podjęcia tegoż zagadnienia ma swoją

przyczynę. Jak bowiem powszechnie wiadomo wiek dwudziesty przyniósł ogromny

postęp w dziedzinie techniki. Rozwój nauk takich jak chemia czy fizyka oraz szeregu

dziedzin im pokrewnych jest wciąż zauważalny i bardzo szybki. Jego efekty są w

zasadzie widoczne w każdej dziedzinie życia. Zwłaszcza postęp w elektronice otworzył

drogę do rozwoju dla innych nauk (medycyna, biologia, nauki o Ziemi i Wszechświecie

itd.). Natomiast przykłady zastosowania elektroniki napotykamy prawie na każdym

kroku naszego codziennego życia. Wiadomo przecież, że urządzenia takie jak np.

telefon, odbiornik radiowy czy telewizyjny stanowią część wyposażenia wielu

milionów domów na całym świecie. We współczesnych gospodarstwach domowych

można także znaleźć wiele innych urządzeń zawierających mniej lub bardziej

skomplikowane układy elektroniczne. Wymienić tu można np. lodówkę, pralkę

automatyczną, kuchenkę mikrofalową, a także odkurzacz, żelazko i wiele innych

urządzeń. Takie przykłady możnaby było mnożyć, niemniej jednak istotny jest fakt, że

bardzo często mniej lub bardziej zaawansowana elektronika stanowi w pewnym sensie

nasze najbliższe otoczenie. To jednak nie koniec zastosowań tej dziedziny wiedzy.

Chociażby środki lokomocji, którymi codziennie przemieszczamy się do szkoły, pracy

lub w inne miejsca są „nafaszerowane” elektroniką. Jednak oczywiście wiadomy jest

fakt, że samochód osobowy posiada w sobie mniej różnych układów elektronicznych

niż samolot pasażerski. Ponadto rozwiązania elektroniczne zastosowane w lotnictwie są

znacznie bardziej skomplikowane niż w motoryzacji. Powodem takiego stanu rzeczy są

w głównej mierze względy bezpieczeństwa. Wielu innych zastosowań elektroniki

możemy doszukiwać się w przemyśle. Proces technologiczny prowadzący do

wytworzenia jakiegoś przedmiotu wymaga zastosowania odpowiednich urządzeń,

dlatego też wiele maszyn przemysłowych jest sterowanych za pomocą komputera. Takie

rozwiązanie zapewnia bardzo precyzyjne wykonanie żądanego detalu. Wspomniany już

komputer jest urządzeniem zawierającym w swojej strukturze wiele różnych elementów

elektronicznych. Jednym z nich jest właśnie mikroprocesor stanowiący główne

zagadnienie tej pracy. Jeśli natomiast chodzi o komputery, to można stwierdzić że są

one obecne niemal w każdej sferze naszego życia. Można je spotkać w wielu domach,

5

zakładach produkcyjnych, szkołach, szpitalach, biurach i wielu innych miejscach. W

zależności od miejsca, w którym komputer się znajduje spełnia on odpowiednią rolę. Na

przykład w szkole komputer służy do celów edukacyjnych, w szpitalu monitoruje on

stan chorego, a w hurtowni przechowuje i zarządza bazą danych (informacji) o towarze.

Powyższe przykłady zastosowania komputerów pokazują, że jest to ważne i konieczne

urządzenie w dzisiejszej rzeczywistości. Natomiast mikroprocesor, o którym w głównej

mierze traktuje ta praca, jest jednym z podstawowych elementów składowych

komputera. Dlatego też w kolejnych rozdziałach przyjrzymy się bliżej komputerom, a w

szczególności mikroprocesorom.

6

2. Współczesny zestaw komputerowy

Treści niniejszego rozdziału traktują o faktach historycznych dotyczących rozwoju

komputera. Są one ułożone (te fakty) w sposób chronologiczny. Informacje

wykorzystane w treści rozdziału mają charakter poglądowy i są zamieszczone po to aby

jedynie pokazać szybkość oraz postęp technologiczny w dziedzinie komputerów i

informatyki. Ponadto w tym rozdziale poruszone są także kwestie dotyczące zarówno

budowy jak i roli najważniejszych elementów składowych (z wyłączeniem

mikroprocesora) komputera osobistego.

2.1.

Krótka historia komputera osobistego – PC

Ludzie od zamierzchłych czasów byli zmuszeni do wykonywania drobnych

obliczeń. Były one niezbędne do ich codziennego życia. Liczono np. zwierzęta czy też

plony uprawne. Zdarzało się także, że liczono ludzi (np. żołnierzy). Do wykonywania

obliczeń wykorzystywano rozmaite przedmioty. Liczono na palcach, używano kamieni,

szyszek i wielu innych dostępnych rzeczy. Około 3000 lat p.n.e. w środkowej Azji

zbudowane zostało pierwsze liczydło. Jego wynalezienie znacznie przyspieszyło

operacje obliczeniowe. Jednak należy też wspomnieć, że operowano na liczbach

rzymskich dlatego wykonanie stosunkowo prostych działań arytmetycznych takich jak

mnożenie lub dzielenie nastręczało ówczesnym ludziom wielu problemów. Ich

rozwiązanie bywało bardzo czasochłonne. Dopiero w wieku XVI wraz z pojawieniem

się liczb arabskich wykonywanie działań arytmetycznych stało się prostsze, a w efekcie

szybsze.

Kolejne lata przynosiły dalszy rozwój matematyki, a także techniki. Osiągnięcia

owej techniki pozwalały na konstrukcje dość prostych maszyn służących do

wykonywania prostych działań matematycznych. W 1642r Blaise Pascal skonstruował

maszynę pozwalającą na sumowanie liczb. Już 31 lat później Gottfried Wilhelm von

Leibnitz zbudował maszynę arytmetyczną, a w 1694r skonstruował pierwszy kalkulator.

Konstrukcja tegoż kalkulatora była wzorem dla bardziej zaawansowanych maszyn

liczących jeszcze przez dziesiątki lat. W międzyczasie Leibniz opracował rachunek

różniczkowy, całkowy a także system dwójkowego zapisu liczb. Kolejnego wielkiego

kroku na drodze do wynalezienia czy zbudowania „prawdziwego komputera” dokonał

angielski matematyk, wynalazca i astronom Charles Babbage. Obliczenia, które musiał

7

wykonywać prowadząc badania w dziedzinie astronomii były zazwyczaj bardzo

żmudne i wymagały wiele czasu i uwagi. Charles Babbage musiał opierać się na danych

zawartych w tablicach logarytmicznych, które bardzo często bywały błędne. Ten fakt

skłonił go do podjęcia działań zmierzających do zbudowania maszyny matematycznej.

Owa maszyna miałaby służyć do rozwiązywania równań różniczkowych. Jednak po

dziesięciu latach porzucił ten projekt i rozpoczął pracę nad bardziej uniwersalnym

urządzeniem, które nazwał maszyną analityczną. Urządzenie, które Charles Babbage

budował miało być pierwszą programowalną maszyną, gdzie dane obliczeniowe miały

być dostarczane na kartach dziurkowanych. Następnie maszyna analityczna miała

wykonywać żądane obliczenia wykorzystując swoją pamięć operacyjną. Wynik miał

być drukowany. Niestety autor nie wypełnił założeń swojego projektu w 100%, gdyż nie

pozwalał mu na to ówczesny stan techniki. Jednak można tu dostrzec genialny pomysł i

ogromne podobieństwo w planowanym działaniu urządzenia do działania

współczesnego komputera. Można zatem śmiało stwierdzić, że Charles Babbage był

prekursorem w dążeniach do konstrukcji prawdziwego komputera. Pod koniec XIXw. w

Stanach Zjednoczonych Herman Hollerith skonstruował maszynę tabulacyjną. Potrafiła

ona odczytywać zapisane na dziurkowanych kartach dane, a następnie wykonywała na

nich operacje sumowania i sortowania. To urządzenie zostało wykorzystane jako pomoc

do przeprowadzenia powszechnego spisu ludności w USA, a jego konstruktorowi

przyniosło ogromne bogactwo i sławę. Dzięki temu Herman Hollerith w 1896r założył

firmę Tabulating Machine Company, która po połączeniu z kilkoma innymi firmami

stworzyła International Business Machines, czyli po prostu IBM. Kolejne lata

przyniosły rozwój techniki, a szczególnie elektroniki. W 1904r John Fleming

skonstruował dwuelektrodową lampę elektronową czyli tzw. diodę, a po dwóch latach

Lee de Forest skonstruował lampę trójelektrodową czyli tzw. triodę. Mogła ona pełnić

rolę przekaźnika. Był to podstawowy element komputerów I generacji. W 1941r Konrad

Zuse zbudował komputer Z3, który w pełni wykonywał obliczenia według programu, a

poza tym potrafił operować na liczbach zmiennoprzecinkowych co było swego rodzaju

nowością. Cztery lata później John von Neumann opublikował artykuł, którego treść

stanowił projekt uniwersalnego komputera. Opisano w nim cechy jakie powinien

posiadać taki komputer. Główne założenie mówiło, że nie powinien mieć

skomplikowanej budowy. Ponadto program jak i dane powinny być przechowywane w

pamięci operacyjnej komputera, a kolejność wykonywania instrukcji powinna zależeć

od wyniku już przeprowadzonych w programie obliczeń. Projekt ten nazywa się

8

„maszyną z Princeton”, a jego założenia są nadal aktualne i znajdują odbicie w

konstrukcji dzisiejszych komputerów. Jeszcze w 1945r zapoczątkowano budowę

maszyny, która miała spełniać powyższe założenia projektowe i w 1951r ją zakończono

sukcesem. Powstały komputer nosił nazwę EDVAC. Przełomową datą w drodze do

powstania komputera był dzień 23.12.1947r. Wtedy właśnie zaprezentowano nowe

urządzenie elektroniczne jakim był tranzystor. Miał on te same własności co lampa

elektronowa jednak pracował znacznie szybciej (ok. 1000 razy) od lampy. Ponadto do

swojej pracy zużywał znacznie mniej energii i emitował mniej ciepła. W kolejnych

latach powstawały coraz lepsze i szybsze programowalne komputery, które były oparte

na tranzystorach i wyposażone w lampową pamięć operacyjną (CRT), którą

skonstruował w 1947r Frederic Williams. Pozwoliło to na wykonywanie programów

zapisanych w pamięci operacyjnej, w szybki sposób. W 1953r firma IBM wprowadziła

na rynek pierwszy komputer znany jako Magnetic Drum Computer. Trzy lata później w

laboratoriach MIT zbudowany został pierwszy komputer tranzystorowy. Zapoczątkował

on erę komputerów tzw. II generacji. Kolejny postęp nastąpił w 1958r kiedy to Robert

Noyce skonstruował pierwszy układ scalony (w sprzedaży od 1961r). W tym samym

roku powstał także pierwszy tranzystorowy superkomputer (CDC 1604). W Listopadzie

1960r został zaprezentowany pierwszy mikrokomputer (PDP-1) wyposażony w monitor

i klawiaturę. Jego twórcą był Benjamin Curley pracujący dla firmy DEC. Owocem

kolejnych dwóch lat pracy nad rozwojem komputerów jest powstanie pierwszego

systemu graficznego (dotychczas informacja była prezentowana przez komputer w

trybie tekstowym). W 1964r firma IBM przedstawiła pierwszą rodzinę komputerów,

które były ze sobą kompatybilne (zgodne). Tak narodziły się komputery III generacji. W

1968r Robert Noyce, Andy Grove i Gordon Moore założyli firmę Intel, która dziś jest

największym producentem mikroprocesorów na świecie, a rok później założono firmę

AMD, która jest największym konkurentem firmy Intel na rynku mikroprocesorów.

Swój początek miał także w tym czasie Internet. W 1970r konstruktorzy firmy Intel

budują pierwszą pamięć ROM (Read Only Memory), której zawartość można odczytać

ale nie można jej zmienić. Pamięć ta pozwala na zachowanie zapisanych w niej danych

nawet po odłączeniu źródła zasilania. W następnym roku Intel opracował technologię

tworzenia i jednocześnie skonstruował pierwszy mikroprocesor (model 4004 zajmujący

powierzchnię 12mm

2

). Ważnym faktem jest także konstrukcja pierwszego komputera

osobistego (PC – Personal Computer). Dokonała tego firma Kenback. Komputer ten

9

oparty był na 130 układach scalonych i dysponował 256 bajtami pamięci. Pozwoliło to

na wykonanie 1000 instrukcji w ciągu jednej sekundy.

Powyższe przykłady są kilkoma z wielu, jakie pokazują szybkość postępu w

powstawaniu coraz lepszych komputerów. Właśnie w latach siedemdziesiątych,

osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XXw nastąpił gwałtowny rozwój techniki i

nowoczesnych technologii. Pozwolił on na konstruowanie coraz szybszych,

wydajniejszych, zajmujących mniej miejsca (miniaturyzacja), bardziej niezawodnych a

także tańszych komputerów. Poprzez produkcję komputerów na skalę masową znacznie

obniżono koszty ich wytwarzania. W konsekwencji tego stanu rzeczy komputer stał się

nie tylko praktycznym narzędziem pracy, ale także źródłem przyjemności. Bowiem

wraz z rozwojem na poziomie sprzętowym szedł w parze postęp w dziedzinie

programowania. Pisano programy służące do poprawnej pracy komputerów czyli

systemy operacyjne np. MS-DOS, MS Windows, Unix, Linux. Stworzono języki

programowania np. ForTran, Pascal, B, C, C++, Java i inne, dzięki którym można było

tworzyć programy służące do rozwiązywania różnych problemów (nie tylko

naukowych). Powstawały także przeróżne programy mające uprzyjemniać czas

użytkownikowi. Dobrym przykładem są tutaj gry komputerowe. Postęp w dziedzinie

komputerów jest wciąż nieprzerwany i nic nie wskazuje na jego zatrzymanie. Jest wręcz

odwrotnie ponieważ ten swego rodzaju „wyścig” pomiędzy producentami sprzętu

komputerowego wydaje się coraz bardziej przyspieszać.

2.2.

Budowa i rola elementów składowych jednostki centralnej i innych

elementów zestawu komputerowego

Zestaw komputerowy stanowi wiele różnych urządzeń elektronicznych. Można

tu dokonać prostego podziału i ogólnie wyodrębnić: jednostkę centralną (zwaną także

zasadniczym komputerem), urządzenia wejściowe i wyjściowe (zwane są one także

urządzeniami peryferyjnymi). Do urządzeń wejściowych możemy zaliczyć: klawiaturę,

mysz, kartę dźwiękową, joystick, skaner, tuner TV lub tuner video, cyfrowy aparat

fotograficzny, a także inny komputer. Urządzenia wyjściowe to przede wszystkim

monitor, karta dźwiękowa, głośniki (lub słuchawki), drukarka, a także ploter. W skład

jednostki centralnej wchodzi wiele różnych elementów. Są to różnej maści urządzenia

mechaniczne jak i również elektroniczne, które pełnią rozmaite funkcje.

Najważniejsze z nich to:

10

2.2.1.

Płyta główna

Jest to prostokątna (kwadratowa) płytka krzemowa, do której podłączone są

niezbędne elementy budujące komputer. Jednak sama płyta zawiera wiele różnych

elementów, które są umieszczone bezpośrednio na jej powierzchni. Znajduje się tam

przede wszystkim złącze (gniazdo) przeznaczone dla mikroprocesora. Są tam także

m.in. złącza typu ISA oraz PCI przeznaczone dla kart rozszerzeń (np. karty dźwiękowej,

sieciowej i innych). W przypadku karty graficznej dziś stosuje się na ogół złącze typu

AGP (jest ono przeznaczone specjalnie dla karty graficznej). Każda współczesna płyta

główna posiada również kilka złącz pozwalających na ulokowanie dodatkowych

„kości” pamięci głównej RAM. Wyposażona jest ona także w złącza pamięci

podręcznej Cache, pamięci stałej EPROM oraz w złącze pamięci CMOS. Ponadto na

płycie głównej znajdują się złącza IDE pozwalające na podłączenie dysków twardych

oraz czytników innych rodzajów nośników pamięci (stacja dyskietek, napęd CD lub

DVD). Płyta główna posiada także złącza, za pośrednictwem których można podłączyć

klawiaturę i mysz oraz inne urządzenia peryferyjne. Komunikacja ta obecnie odbywa

się głównie za pośrednictwem złącz typu USB (aczkolwiek istnieje możliwość

podłączenia klawiatury i myszy do przeznaczonych dla nich gniazd). Istnieją także inne

typy złącz pozwalających na połączenia z urządzeniami zewnętrznymi. Są to złącza

typu: RS-232, IrDA (ang. Infrared Port Connector) lub złącze portu równoległego.

Ponadto każda płyta główna wyposażona jest w układy chipset (układy scalone

otoczenia procesora) i kontroler klawiatury. Z uwagi na fakt, iż komputer do pracy

potrzebuje energii elektrycznej, płyta główna jest wyposażona w złącze do podłączenia

zasilacza. Płyta główna posiada także złącza do przycisków i diod obudowy, głośnika

systemowego, a także miejsce na baterię systemową. Natomiast rola jaką ma do

spełnienia płyta główna jest bardzo ważna. Jej główną funkcją jest zapewnienie

prawidłowej komunikacji pomiędzy poszczególnymi elementami składowymi jednostki

centralnej. Aby owa komunikacja była jak najlepszej jakości, płyty główne są

wyposażone w tzw. BIOS (Basic Input/Output System). Jest to zestaw podstawowych

procedur, które są relacją pomiędzy sprzętem a systemem operacyjnym. Aby właściwie

skonfigurować BIOS należy skorzystać z programu SETUP, który jest integralną

częścią BIOS’u. Tak więc płyta główna podtrzymuje wszystkie najważniejsze

ustawienia sprzętowe i systemowe komputera. Dzieje się tak nawet jeśli komputer jest

11

odłączony od zasilania energią elektryczną (energia elektryczna pochodzi wtedy z

baterii systemowej).

2.2.2.

Mikroprocesor

Jest to jeden z ważniejszych elementów budujących komputer. Jego

architektura, rola, jak i zadania zostały opisane w rozdziale II pt. „Mikroprocesor”.

2.2.3.

Karty rozszerzeń

Każdy współczesny komputer osobisty posiada kartę graficzną. Może ona być

integralną częścią płyty głównej lub stanowić osobny element budowy komputera. Jeśli

jest oddzielnym elementem, to można w niej wyróżnić następujące elementy: płytkę

krzemową na której osadzony jest procesor karty graficznej, a także pokłady pamięci

RAM (pamięci video) oraz układ RAMDAC (ang. Random Access Memory Digital to

Analog Converter) to konwerter cyfrowo-analogowy wyposażony w pamięć o dostępie

swobodnym. Jest to układ zbudowany z pamięci statycznej zawierającej tabelę barw.

Ponadto w jego skład wchodzą wspomniane trzy przetworniki cyfrowo-analogowe.

Układ ten jest często zintegrowany z procesorem karty graficznej. Natomiast praca

karty graficznej jest podzielona na trzy etapy. Najpierw odbiera ona sygnały od

komputera. Następnie sygnały te są odpowiednio przez nią przetwarzane (układ

RAMDAC zamienia sygnał cyfrowy na analogowy). W ostatnim etapie przetworzone

już sygnały są wysyłane do monitora, który wyświetla odpowiednie obrazy. Innymi

słowy karta graficzna jest „pośrednikiem” pomiędzy zasadniczym komputerem a

monitorem. Jest ona także odpowiedzialna za jakość wyświetlanych obrazów tzn.

pozwala na określenie parametrów dotyczących wyświetlanego obrazu. Można do nich

zaliczyć np. rozdzielczość, ilość kolorów itp. Tak więc karta graficzna, z

otrzymywanych od jednostki centralnej sygnałów, generuje obraz i steruje pracą

monitora, w taki sposób aby zachować odpowiednie (żądane) parametry tegoż obrazu.

Karta dźwiękowa (muzyczna) nie jest niezbędnym, aczkolwiek popularnym

elementem współczesnego komputera. Podobnie jak karta grafiki może ona być

zintegrowana z płytą główną lub stanowić osobny element komputera. Jeśli jest osobną

częścią, to stanowi ją krzemowa płytka, na której najważniejszymi elementami są

przetworniki: cyfrowo – analogowy oraz analogowo – cyfrowy. Karta dźwiękowa także

posiada własną pamięć RAM oraz układy odpowiadające za syntezę dźwięków

12

instrumentów muzycznych i efektów dźwiękowych (np. dźwięk przestrzenny w hali).

Jej zasadniczym zadaniem jest realizacja trzech funkcji. Należą do nich: rejestracja,

przetwarzanie oraz odtwarzanie dźwięków. Karta dźwiękowa jest urządzeniem

wejścia/wyjścia co oznacza, że pełni także rolę pośrednika pomiędzy komputerem a

urządzeniami peryferyjnymi. Mogą do nich należeć np. mikrofon (urządzenie wejścia) i

głośniki (urządzenie wyjścia). Zatem zapewnia ona również właściwą komunikację

pomiędzy jednostką centralną a odpowiednimi urządzeniami wejścia/wyjścia.

Wyżej wymienione rodzaje kart bardzo często znajdują się w komputerze

osobistym. Jednak istnieją także inne, które nie występują tak często. Należą do nich np.

modem, karta sieciowa lub tuner TV. Cechą charakterystyczną wszystkich kart jest to,

że posiadają one złącza pozwalające na komunikację z Internetem (poprzez modem)

bądź odpowiednimi urządzeniami peryferyjnymi. Dbają one zatem o właściwą

komunikację zasadniczego komputera z odpowiednim urządzeniem zewnętrznym. Jest

to ich podstawowe zadanie.

2.2.4.

Pamięć RAM, Cache, FLASH i CMOS

Układy pamięci są zbudowane z tranzystorów, czyli półprzewodnikowych

elementów elektronicznych wykonanych najczęściej z krzemu. Tranzystory tworzą

układy scalone, które są podstawowymi elementami budulcowymi procesorów i

układów pamięci. Obecnie liczbę tranzystorów w układzie scalonym podaje się już w

milionach sztuk, a sam układ scalony zajmuje powierzchnię rzędu kilkudziesięciu mm

2

.

W ten sposób można więc sobie wyobrazić skalę miniaturyzacji tranzystorów. Jednak

mimo podobnej struktury wewnętrznej zadania jakie pełni pamięć są różne. W

konsekwencji istnieje więc podział na pamięć typu: RAM, Cache, FLASH i CMOS.

Pamięć RAM (Random Access Memory) – jest to pamięć o dostępie

swobodnym (pamięć operacyjna). Oznacza to, że jest tu możliwy bezpośredni dostęp do

każdej komórki pamięci. Jej zasadniczą rolą jest przechowywanie właśnie

przetwarzanych danych. RAM przechowuje także ciągi rozkazów (czyli program), które

operują na tych danych. Wynika stąd, że w przypadku pamięci RAM istotnymi cechami

są: jej pojemność oraz czas dostępu do zapisanych w niej informacji. Można zatem

stwierdzić, że cechy te mają niebagatelny wpływ na szybkość pracy całego komputera

(im większa pojemność oraz im krótszy czas dostępu do pamięci, tym szybsza praca

13

komputera). RAM jest pamięcią ulotną tzn. jej zawartość zostaje wykasowana po

odłączeniu komputera od źródła energii elektrycznej.

Pamięć Cache – odnosi się ona zarówno do procesora (opis w rozdziale II pt.

„Mikroprocesor”) jak i do pamięci RAM. W przypadku pamięci RAM pamięć Cache

(zwana także buforem) jest pewną częścią owej pamięci RAM. Bufor przechowuje

kopie najczęściej używanych plików systemu operacyjnego, dzięki czemu operacje

systemowe są wykonywane szybciej. Ponadto czas dostępu do pamięci Cache jest

znacznie krótszy niż do pamięci RAM.

Pamięć FLASH – jest ona swego rodzaju połączeniem pamięci ROM i RAM.

Jej bowiem zawartość pozostaje zapisana nawet po odłączeniu komputera od zasilania

(tak jak w pamięci ROM). Użytkownik ma jednak dostęp do tej pamięci i może ją

zmienić. (tak jak w pamięci RAM). Może ona przechowywać np. BIOS. Jest to pamięć,

którą można wielokrotnie zapisywać i wymazywać. Natomiast ilość odczytów

zapisanych w niej danych jest praktycznie nieograniczona.

Pamięć CMOS – jest to pamięć podtrzymywana za pomocą energii uzyskanej z

baterii. Jej głównym zadaniem jest przechowywanie informacji o aktualnej dacie i

godzinie. CMOS przechowuje także ustawienia programu SETUP, czyli programu

konfiguracyjnego BIOS’u.

2.2.5.

Dysk twardy oraz inne czytniki nośników pamięci

Dysk twardy jest zbudowany zarówno z elementów mechanicznych jak i

elektronicznych. Do elementów mechanicznych zaliczyć należy silnik krokowy i części

odpowiedzialne za przesuw głowicy nad odpowiednie miejsce dysku, a także obracające

się aluminiowe talerze pokryte nośnikiem magnetycznym. Natomiast elementy

elektroniczne tworzą układ obsługujący i kontrolujący ustawienie głowicy. Dbają także

o poprawność i ewentualną korekcję odczytu i zapisu danych na dysku. Wszystkie te

elementy są ulokowane w hermetycznie zamkniętej obudowie, ponieważ nawet drobina

kurzu mogłaby uszkodzić delikatną strukturę wewnętrzną dysku. Zadaniem dysku

twardego jest przechowywanie zapisanych na nim danych. Wykonuje on także proces

zapisu i wymazywania danych. Jednak najczęstszym zadaniem wykonywanym przez

dysk twardy jest odczyt danych.

W podobny sposób jest zbudowana także stacja dyskietek, gdzie najważniejsza

jest głowica odpowiedzialna za odczyt i zapis danych. Istotny jest także mechanizm nią

14

sterujący. Napęd ten jest również wyposażony w silnik obracający dyskiem

umieszczonym wewnątrz wymiennej dyskietki. Stacja dyskietek wykonuje analogiczne

zadania jak dysk twardy. Dysk twardy oraz stacja dyskietek są tzw. napędami

magnetycznymi.

Innym rodzajem napędów są tzw. napędy optyczne. Są to urządzenia służące

do odczytu i zapisu danych na płytach: CD, CD-R, CD-RW, DVD, DVD-R, DVD-RW.

Ich zasadniczym elementem jest laser, który emituje wiązkę światła. Promień odbity od

powierzchni płyty zostanie zinterpretowany jako cyfra 1 natomiast promień nieodbity

zostanie zinterpretowany jako cyfra 0. Komputer zatem odczytuje informacje zapisaną

w formie ciągu binarnego. Laser także odpowiada za zapis danych na płycie, ponieważ

emitując światło o odpowiednim natężeniu może zmienić jej strukturę. W przypadku

napędów optycznych możliwy jest na pewno odczyt danych zapisanych na płytach. Nie

każdy bowiem napęd optyczny ma możliwość zapisywania i wymazywania danych.

Jak widać zasadnicza rola napędów magnetycznych i optycznych jest w

zasadzie taka sama. Różnice polegają jedynie na sposobie odczytu, zapisu i kasowania

danych. W napędach magnetycznych zadania te wykonuje głowica, a w optycznych

laser.

2.2.6.

Złącza (gniazda) urządzeń peryferyjnych (widziane na obudowie jednostki

centralnej

Są to różnej wielkości oraz kształtu gniazda zbudowane z metalu.

Różnorodność ta zapewnia, że nawet laik nie uszkodzi komputera bądź urządzenia

zewnętrznego poprzez podłączenie tegoż urządzenia do niewłaściwego gniazda. Złącza

te pozwalają przede wszystkim na podłączenie klawiatury i myszy. Wymienić należy na

pewno złącza karty graficznej pozwalającej na podłączenie monitora i odbiornika TV.

Współczesny komputer na ogół jest wyposażony w kartę dźwiękową, która posiada

złącza pozwalające na podłączenie głośników, mikrofonu, zewnętrznych urządzeń audio

oraz joysticka. Na obudowie widać także złącza innych kart rozszerzeń zainstalowanych

w komputerze. Oprócz wymienionych już gniazd istnieją także złącza takie jak: RS-

232, port równoległy, złącze IrDA lub USB. Za ich pomocą można do komputera

podłączyć np. skaner, drukarkę, cyfrowy aparat fotograficzny, a nawet telefon

komórkowy oraz wiele innych urządzeń. Każdy komputer jest wyposażony w gniazdo

zasilacza pozwalające podłączyć go do sieci elektrycznej.

15

2.2.7.

Zasilacz jednostki centralnej

Posiada on wyprowadzenia pozwalające na podłączenie np. płyty głównej lub

napędów dysków. Z drugiej strony zasilacz ma gniazdo, poprzez które za

pośrednictwem przewodu podłącza się go do sieci elektrycznej. Jego zadaniem jest

przetworzenie prądu zmiennego pochodzącego z sieci elektrycznej w taki sposób, aby

dostarczyć odpowiednią energię elektryczną (napięcie) do odpowiednich elementów

komputera. Do urządzeń wymagających prądu pochodzącego z zasilacza zaliczamy:

płytę główną, dysk twardy i inne napędy, wentylatory, klawiaturę i mysz, a także

niektóre urządzenia podłączone do komputera za pomocą gniazda USB.

2.2.8.

Elementy zestawu komputerowego spoza jednostki centralnej

•

Klawiatura i mysz – zapewniają przekaz informacji ze strony użytkownika

do komputera.

•

Monitor – jest koniecznym urządzeniem emitującym obraz wygenerowany

przez kartę graficzną,

•

Głośniki - emitują dźwięk emitowany przez kartę dźwiękową,

•

Drukarka – pozwala na wydruk dokumentów utworzonych w programach

komputerowych,

•

Skaner – przetwarza „tradycyjne” (zapisane na kartce, folii itp.) dokumenty

do postaci elektronicznej,

•

Inne urządzenia – pełnią swą rolę zgodnie z przeznaczeniem.

Powyższe urządzenia, a właściwie ich struktura ma niebagatelne znaczenie jeśli

chodzi o szybkie i sprawne działanie całego zestawu komputerowego. To właśnie

elementy stanowiące jednostkę centralną decydują w głównej mierze o jego wydajnej

pracy. Struktura urządzeń znajdujących się poza zasadniczym komputerem nie ma w

zasadzie większego wpływu na szybką i niezawodną pracę zestawu komputerowego.

Wyjątek jednak stanowi monitor, który jest nieodłącznym elementem zestawu

komputerowego. Jego niższa jakość mogłaby spowodować obniżenie ogólnej

wydajności całego sprzętu. W konsekwencji praca w niektórych programach mogłaby

stać się kompletnie niemożliwa. Aby elementy komputera pełniły swoją ściśle określoną

rolę w sposób właściwy istotne jest aby odpowiednio dopasować oprogramowanie

sterujące tymi elementami Ma to również ogromny wpływ na właściwą, szybką i

16

wydajną pracę zestawu komputerowego. Wpływa to niewątpliwie na komfort pracy

użytkownika.

17

3. Mikroprocesor

Treści niniejszego rozdziału traktują o mikroprocesorze. Znajduje się w nim przede

wszystkim wyjaśnienie samego pojęcia mikroprocesor. Ponadto część rozdziału jest

poświęcona budowie jak i roli tegoż niezbędnego elementu komputera. Zawarte są tu

także informacje dotyczące postępu w dziedzinie wytwarzania mikroprocesorów

(chodzi o rozwój na przestrzeni ostatnich lat). Natomiast w ostatniej części rozdziału

znajdują się informacje o mikroprocesorach, które są aktualnie dostępne na rynku.

Szczególny nacisk został położony na różnice pomiędzy nimi. Celem takiego podejścia

jest wskazanie przeznaczenia omawianych typów procesorów.

3.1.

Wyjaśnienie pojęcia „mikroprocesor”

Aby móc dokonać charakterystyki urządzenia jakim jest procesor należy

rozpocząć od wyjaśnienia samej jego nazwy.

Definicja wg Słownika języka polskiego:

„Mikroprocesor – urządzenie elektroniczne zdolne do wykonywania operacji na

danych, jedna z najważniejszych części komputera.”

Definicja wg Słownika wyrazów obcych:

„Mikroprocesor – zminiaturyzowany procesor (w postaci układu scalonego wielkiej

skali integracji) stanowiący podstawowy element komputerów domowych i osobistych,

wykorzystywany także w innych urządzeniach, np. drukarkach i terminalach

komputerowych, a także w pralkach automatycznych, urządzeniach audiowizualnych

itp.”

Etymologicznie (pochodzeniowo) słowo mikroprocesor jest syntezą dwóch słów:

mikro + procesor.

3.2.

Budowa mikroprocesora

3.2.1.

Tranzystor i układ scalony

Podstawowym elementem elektronicznym budującym mikroprocesor

komputera jest tranzystor. Z kolei sam tranzystor jest półprzewodnikowym urządzeniem

elektronicznym, który jest zbudowany z trzech elementów. Są to: emiter, baza oraz

kolektor. Baza steruje przepływem prądu pomiędzy emiterem a kolektorem. Tranzystor

18

pełni rolę przełącznika elektronicznego. Często występuje on także w połączeniu z

kondensatorem i w efekcie elementy te stanowią półprzewodnikową pamięć. Tranzystor

potrafi wzmacniać sygnał elektryczny i jest on powszechnie stosowanym elementem w

elektronice cyfrowej. Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje tranzystorów. Są

tranzystory bipolarne lub unipolarne czyli polowe. Natomiast sama nazwa tegoż

urządzenia pochodzi z języka angielskiego, bowiem zwrot transfer resistor oznacza

urządzenie transformujące rezystancję.

Dziś bardzo popularny w elektronice jest również tzw. układ scalony zwany

także kością (ang. intergrated circuit, chip). Jest on niczym innym jak tylko

miniaturowym elementem elektronicznym zbudowanym z tranzystorów,

kondensatorów, rezystorów i diod opakowanych w hermetycznie zamkniętej obudowie.

Liczba tych elementów może wynosić od kilku sztuk do setek milionów. Dla przykładu

w mikroprocesorze Pentium Pro jest ok. 21.000.000 tranzystorów. Układy scalone

dzielimy na monolityczne i hybrydowe. Na ogół jednak w elektronice stosowane są

układy monolityczne, a ich elementami są tylko tranzystory połączone ze sobą. Obecnie

długość takiego pojedynczego tranzystora jest rzędu kilkudziesięciu nanometrów. Aby

zobrazować skalę miniaturyzacji i integracji tranzystorów w układzie scalonym podaje

się liczbę tranzystorów przypadającą na 1mm

2

.

3.2.2.

Schematyczna budowa mikroprocesora

Wszystkie mikroprocesory bez, względu na producenta, mają pewne wspólne

cechy strukturalne. Są to bloki wykonujące określone zadania. Zatem schematycznie

można przedstawić mikroprocesor jako zbiór połączonych ze sobą takich bloków.

19

Rysunek 1 Schematyczna budowa mikroprocesora.

Mikroprocesor jest związany z pamięcią operacyjną za pomocą

wyizolowanego bloku komunikacyjnego BU – Bus Unit. Blok ten odpowiada za

pobranie danych oraz rozkazów do wykonania z pamięci RAM, a także odsyła wyniki

po wykonaniu obliczeń z powrotem do pamięci RAM. Prefetch jest blokiem

kolejkującym dane, oczekujące na odtworzenie w bloku dekodera IU – Instruction Unit.

Blok ten jest związany ze wspomagającym go blokiem pamięci stałej ROM.

Odtworzone już informacje trafiają do bloku wykonawczego EU – Execution Unit. Tam

następuje, zgodne z rozkazami, wykonanie operacji na danych. Jeśli zachodzi potrzeba

wykonania operacji na liczbach stałoprzecinkowych, to dane takiego typu trafiają do

bloku ALU – Arithmetic–Logic Unit, nad którego pracą czuwa jednostka CU – Control

Unit. Natomiast operacje na liczbach zmiennoprzecinkowych są realizowane w

jednostce FPU – Floating Point Unit. Na ogół rozkazy, które są do wykonania, bazują

na jakiś argumentach. Są to np. składniki w dodawaniu lub czynniki w mnożeniu itd.

Argumenty te są również pobierane z pamięci operacyjnej. Często się także zdarza, że

konieczne jest przesłanie wyniku jakiś działań pod wskazany adres w pamięci RAM. Za

poprawne adresowanie wyników jest odpowiedzialny blok AU – Addressing Unit. Jest

on wyposażony w jednostkę MMU – Memory Managment Unit, która zabezpiecza od

strony technicznej dostęp do pamięci operacyjnej.

20

3.2.3.

RISC i CISC

RISC (ang. Reduced Instruction Set Computers) oraz CISC (ang. Complex

Instruction Set Computers) są dwoma typami architektur mikroprocesorów. Model

RISC zakłada ograniczenie listy rozkazów (są one na ogół stałej długości) do

niewielkiej liczby szybko wykonujących się instrukcji. Instrukcje te wykonują się

bardzo szybko ponieważ ich realizacja przebiega w odpowiednio skonstruowanym

obwodzie elektronicznym, co pozwala na znaczną oszczędność czasową. Innymi słowy

układ elektroniczny nie musi tu tłumaczyć rozkazu i stąd owa oszczędność czasowa.

Ważną rolę w modelu RISC pełni kompilator. To właśnie on rozpisuje algorytm

wykonywanego programu. RISC’owe podejście wymaga szybkiego połączenia z

pamięcią operacyjną, ponieważ skompilowana wersja programu jest właśnie tam

ulokowana. Dziś w architekturze RISC pamięć operacyjna jest zastąpiona na ogół

pamięcią Cache (pamięć podręczna) ponieważ jest znacznie szybsza. Przykłady grup

mikroprocesorów wykonanych w modelu RISC to: Alpha, AMD 29000, ARM, MIPS,

Motorola 88000, PowerPC, SPARC.

Inne podejście występuje w architekturze CISC. Lista rozkazów jest dużo

większa niż w modelu RISC. Pobranie rozkazu z pamięci wymusza natychmiastowo

lawinę kompleksowych działań. W konsekwencji realizacja takiego rozkazu może trwać

nawet kilka cykli zegarowych. Jednak nie jest tu tak bardzo istotna szybka komunikacja

z pamięcią RAM. Przykłady grup mikroprocesorów wykonanych w architekturze CISC

to: x86, MC68000, Pentium.

Współczesna architektura mikroprocesorów jest jednak najczęściej

„mieszanką” obu wyżej wymienionych modeli. Lista rozkazów jest spora jak w

architekturze CISC. Jednak zostaje ona rozbita na grupę mikrorozkazów i jest

realizowana jak w modelu RISC. Takie rozwiązania można zaobserwować obecnie w

mikroprocesorach firmy Intel gdzie przykładem może być mikroprocesor Pentium Pro.

Do mikroprocesorów o mieszanej konstrukcji można również zaliczyć mikroprocesor

K6, który jest produktem firmy AMD.

3.3.

Rola i zasada działania mikroprocesora

Jak już wiadomo mikroprocesor jest jednym z ważniejszych, a może nawet

najważniejszym elementem komputera. Ma on bowiem do spełnienia niebagatelną rolę.

Jest to centralny ośrodek zarządzający całym komputerem. Innymi słowy mówiąc

21

mikroprocesor jest „mózgiem” komputera, a zatem podejmuje on wszystkie kluczowe

decyzje. Są one wynikiem operacji wykonywanych według określonego algorytmu na

dostarczonych danych. Oczywiście funkcja pełniona przez mikroprocesor jest

niezmienna, co oznacza, że ogólnie wszystkie takie urządzenia spełniają generalnie to

samo zadanie. Różnic w działaniu mikroprocesorów można się jednak dopatrzyć.

Polegają one głównie na szybkości i w konsekwencji wydajności pracy. Przyczyna

takiego stanu rzeczy leży bardzo często w architekturze samego mikroprocesora. Nie

bez znaczenia pozostaje także jakość elementów otaczających i bezpośrednio lub

pośrednio współpracujących z mikroprocesorem.

Opis zasady działania mikroprocesora nie jest sprawą łatwą. Aby rzetelnie

przedstawić pracę tegoż elementu komputera należy omówić szereg zagadnień. Dotyczą

one procesów, które zachodzą w mikroprocesorze.

3.3.1.

Potokowość

Działanie współczesnego mikroprocesora można przyrównać do pracy taśmy

produkcyjnej znajdującej się w fabryce. Stopniowe przetwarzanie danego na początku

elementu prowadzi do uzyskania żądanego produktu na końcu taśmy. Również

przetwarzanie danych w mikroprocesorze jest podzielone na kilka etapów. Stąd można

wywnioskować, że istnieje możliwość przetwarzania kilku rozkazów w tym samym

czasie. W konsekwencji widać, że praca nad każdym takim rozkazem znajduje się na

innym stopniu zaawansowania, a każdy cykl zegara taktującego wydaje gotowy

produkt. Jest nim w pełni przetworzona informacja wstępna. Proces przechodzenia

danych przez całą „taśmę produkcyjną” trwa na ogół kilka cykli i jest nazywany

potokiem. Natomiast ilość etapów, które składają się na cały potok, to tzw. głębokość

lub ilość stopni potoku. Im więcej jest etapów, tym krótszy jest czas trwania każdego z

nich. Zwiększa się zatem częstotliwość taktowania zegara, czyli czas trwania jednego

cyklu zostaje skracany. Wpływa to zasadniczo na szybkość pracy i wydajność

mikroprocesora. Jednak zbyt duże rozdrobnienie naraża na występowanie błędów lub

konfliktów pomiędzy zależnymi od siebie instrukcjami. Zdarza się, iż z przyczyn

zewnętrznych istnieje rozbieżność czasowa jeśli chodzi o pobyt danych i rozkazów na

poszczególnych stopniach. Aby uniezależnić od czasu przetrzymywanie informacji na

każdym z etapów, umieszcza się bufory (kolejki) pomiędzy stopniami potoku. Sposób

ten zapewnia pełne wykonanie wszystkich instrukcji na danych we wszystkich etapach.

22

Nie wyklucza on jednak występowania błędów, a jeśli takowe zostaną wykryte, potok

musi zostać wyczyszczony. Mikroprocesory dziś dostępne na rynku posiadają

najczęściej ośmiostopniowy potok. Niemniej jednak działanie każdego mikroprocesora,

bez względu na producenta, opiera się czterech zasadniczych czynnościach. Są to tzw.

cztery fazy pracy. Należą do nich: pobieranie (ang. Prefetch - PF), dekodowanie (ang.

Decode – DE), wykonanie (ang. Execute – EX) oraz zakańczanie i zapisywanie

wyników (ang. Write Back – WB). W pierwszej fazie pobierane są rozkazy z pamięci

operacyjnej. W kolejnej fazie dochodzi do analizy i segregacji pobranych informacji.

Natomiast faza trzecia polega na wykonaniu operacji na danych zgodnie z kodem

wykonywanego programu. Ostatnia faza polega na zapisie właśnie przetworzonych

informacji we wskazanej lokalizacji w pamięci lub rejestrach. Mikroprocesor powraca

do optymalnych ustawień i cała czterofazowa procedura jest powtarzana. W taki sposób

mikroprocesor wykonuje zadane programy.

3.3.2.

Techniki przyspieszania

Powszechnie wiadomo, że istotną cechą mikroprocesora jest jego wydajność

czyli moc obliczeniowa. Jest to innymi słowy mówiąc ilość operacji, którą

mikroprocesor jest w stanie wykonać w jakiejś konkretnej jednostce czasu. Determinuje

ona bowiem szybkość pacy całego komputera. Zatem jeśli skróci się czas trwania

jednego cyklu mikroprocesora, to automatycznie jego wydajność rośnie. Niemniej

jednak uwarunkowania technologiczne mikroprocesora nie pozwalają na ciągłe

skracanie długości trwania pojedynczego cyklu. Istnieje jednak możliwość

wprowadzenia pewnych usprawnień pozwalających na przyspieszenie pracy

mikroprocesora. Przykładem są tu między innymi: techniki superskalarne,

przemianowywanie rejestrów, a także przepowiadanie oraz zoptymalizowanie kodu.

Techniki superskalarne polegają na dołożeniu dodatkowych potoków w

mikroprocesorach. W praktyce na ogół dodaje się tylko jeden potok gdyż ich

ewentualna większa liczba nie wpływa już tak znacznie na zwiększenie wydajności.

Ponadto zbyt duża liczba potoków wymusza istnienie rozbudowanej komunikacji

międzypotokowej, która także wymagałaby czasu na przeprowadzenie swoich działań.

Tak więc wiele spośród dostępnych na dzisiejszym rynku mikroprocesorów posiada

dwa, a w zasadzie trzy potoki. Oznacza się je zazwyczaj jako potok U oraz V. Ich

budowa jest nieco różna, a realizują one operacje na liczbach stałoprzecinkowych i

23

robią to niezależnie od siebie. Kwestia przydziału danych do kanału U oraz V jest

rozstrzygana przez układ rozdzielający. Potoki U oraz V mogą aczkolwiek nie muszą

pracować synchronicznie. Przykładem jest tu mikroprocesor M2 firmy Cyrix. Czasem

jednak synchronizacja jest wymagana. Przykład stanowi mikroprocesor firmy Intel

skonstruowany w technologii MMX. W sytuacji gdy synchronizacja nie jest w nim

możliwa drugi potok jest zatrzymywany. Natomiast wspomniany trzeci potok to blok

realizujący operacje na liczbach zmiennoprzecinkowych. Został on jednak

wyodrębniony już dość dawno.

Przemianowywanie rejestrów jest usprawnieniem wymagającym wyposażenia

mikroprocesora w dodatkowy rejestr pomocniczy. Czasami bowiem dochodzi do

sytuacji, w której jednocześnie potoki U oraz V próbują dokonać jakiejś operacji na

rejestrze. Zatem jeśli mikroprocesor zostanie wyposażony w dodatkowy rejestr, to

potoki U oraz V będą mogły działać jednocześnie i niezależnie od siebie. Zastosowanie

tego typu usprawnienia gwarantuje także bezkonfliktową pracę potoków U oraz V.

Wykorzystanie tej techniki przyspieszania jest różne dla różnych modeli i typów

mikroprocesorów. Mikroprocesory Pentium oraz Pentium MMX nie są wcale

wyposażone w dodatkowe rejestry, natomiast mikroprocesor AMD K6 ma ich aż 40.

Przepowiadanie jest techniką, która znajduje wykorzystanie w sytuacjach,

gdzie pojawia się problem z podjęciem wyboru. Innymi słowy wykorzystuje się ją

wtedy, kiedy w kodzie programu wystąpi instrukcja warunkowa. Jak wiadomo podjęcie

dalszych operacji określonych kodem zależy od spełnienia bądź niespełnienia warunku.

Aby rozwiązać ten problem można z większym lub mniejszym prawdopodobieństwem

przewidzieć dalsze instrukcje (ang. Branch Prediction). Inna możliwość zakłada

wykonywanie instrukcji w obydwu kierunkach (Multiple Paths of Execution). Żadne z

podejść nie jest idealne, bowiem prawdopodobieństwo jest zawsze zawarte w przedziale

(0;1) natomiast wykonywanie instrukcji w obu kierunkach jest nieopłacalne dlatego, że

jedna z dróg postępowania jest na pewno błędna. W konsekwencji mikroprocesor

wykonuje szereg niepotrzebnych obliczeń, co istotnie wpływa na szybkość i wydajność

jego pracy. W praktyce mikroprocesory są wyposażane w szybką pamięć podręczną

zwaną także tablicą BTB (ang. Branch Target Buffer), która zbiera informacje o

wykonanych już instrukcjach. Na ich podstawie można przewidzieć jaki będzie dalszy

przebieg programu. Im większy jest rozmiar tablicy BTB tym więcej informacji o

wykonanej części programu można w niej zgromadzić. Zatem i przepowiednia dalszej i

niewykonanej jeszcze części programu jest bardziej trafna. Przykładowo tablica BTB

24

mieszcząca 16 rekordów pozwala na oszacowanie dalszej części programu z 40%

prawdopodobieństwem trafienia. Natomiast tablica mogąca zmieścić 2048 rekordów

daje 87% szans na sukces.

Optymalizacja kodu jest także szeroko stosowanym usprawnieniem. Wymaga

ono jednak sporej wiedzy dotyczącej architektury, a w konsekwencji także cech

konkretnego mikroprocesora. Zastosowanie praktyczne tej techniki przejawia się w

napisaniu kodu programu tak aby wykorzystać silne a jednocześnie ominąć słabe

punkty danego modelu mikroprocesora. Optymalizacji kodu wymagają np.

mikroprocesory typu Pentium gdyż nie posiadają one dodatkowych rejestrów. W efekcie

nie możliwe jest ich przemianowywanie. Zatem jeśli potoki U oraz V przetwarzają

powiązane ze sobą instrukcje, to jeden z potoków oczekuje na wyniki działań z

drugiego. Natomiast optymalizacja kodu pozwala na uniknięcie przerw bądź skrócenie

przestojów w działaniu potoków.

3.3.3.

Dostęp do pamięci

Jak wiadomo mikroprocesor wymaga stałego połączenia z pamięcią

operacyjną. Powodem takiego stanu rzeczy jest fakt, że mikroprocesor pobiera z

pamięci operacyjnej dane oraz instrukcje do wykonania. Po wykonaniu działań

mikroprocesor wysyła ich wyniki z powrotem do pamięci RAM. Tak więc w pamięci

operacyjnej dochodzi do odczytu jak i zapisu danych. Realizacja tych czynności

związana jest z dwoma procesami. Chodzi tu o adresowanie oraz stronicowanie.

Adresowanie polega przede wszystkim na szybkim wyszukaniu odpowiedniej

lokalizacji pamięci. Dane trafiają w odpowiednie miejsce w pamięci operacyjnej.

Następnie są one pobierane i przetwarzane przez mikroprocesor (CPU – Central

Processing Unit). Po wykonaniu na nich wszystkich określonych kodem operacji dane

powracają do pamięci RAM (również pod wskazany adres) skąd są wysyłane na dysk.

Wyniki operacji także są lokowane pod odpowiednimi adresami.

Bardziej nowoczesnym i zaawansowanym procesem jest stronicowanie. Za jego

przyczyną w pamięci operacyjnej znajdują się tylko te dane, które są aktualnie

przetwarzane. Jeśli system operacyjny stwierdzi, że dostarczone dane były przetwarzane

lecz chwilowo nic się z nimi nie dzieje, odsyła je do pliku wymiany (pamięci

wirtualnej). Jest to innymi słowy mówiąc przeadresowanie. W ten sposób zwalnia się

cenne miejsce w pamięci operacyjnej, które można przeznaczyć dla innych danych.

25

Sposób ten jest tzw. jawnym stronicowaniem. Inna i lepsza metoda to stronicowanie

ukryte. Występuje ono również gdy dane, na których akurat trwają operacje, nie są

chwilowo potrzebne. System operacyjny umieszcza tylko w pamięci informacje o

danych lub programach, które powinny się w niej znajdować. W razie konieczności owe

dane lub programy są ładowane z oryginalnie umieszczonych na dysku plików. Widać

stąd, że oczywiście metoda ta nie potrzebuje pliku wymiany. Ponadto oszczędzony jest

tu także czas potrzebny na przesłanie danych do i z pliku wymiany.

3.3.4.

Pamięć Cache

Jak już wiadomo, jednym z rodzajów pamięci jest pamięć Cache. Nazywa się

ją także pamięcią podręczną lub buforem. Mówi się o niej zarówno w odniesieniu do

pamięci operacyjnej jak i w odniesieniu do mikroprocesora. Jeśli chodzi o Cache jako

część pamięci operacyjnej to jej budowa i rola została syntetycznie opisana w

poprzednim rozdziale. Natomiast w kontekście mikroprocesora pamięć Cache jest także

bardzo istotnym elementem jego struktury. W jej skład wchodzą dwa lub trzy bloki

pamięciowe (zależy to od producenta oraz modelu mikroprocesora). Są one następujące:

cache L1 – jest umieszczona wewnątrz mikroprocesora, jej pojemność jest stosunkowo

mała; cache L2 – jest umieszczona na płycie głównej (starsze mikroprocesory) lub

wewnątrz mikroprocesora (Pentium II i nowsze); cache L3 – jest umieszczona na płycie

głównej, stanowi rozszerzenie cache’u L2 w przypadku gdy cache L2 znajduje się we

wnętrzu mikroprocesora. Cache L1, L2 oraz L3 stanowią tzw. kolejne poziomy pamięci

podręcznej. Rola jaką pełni pamięć podręczna jest również bardzo ważna z punktu

widzenia współczesnych mikroprocesorów komputerów PC. Jej największym atutem

jest szybkość, dlatego też wspiera ona działania pamięci głównej RAM i pomaga w

sposób błyskawiczny wykonać najistotniejsze zadania. Uzasadnieniem takiego stanu

rzeczy jest fakt, że w wielu dzisiejszych komputerach osobistych pamięć operacyjna

(główna) jest około dziesięciokrotnie wolniejsza od mikroprocesora. Natomiast Cache

pracuje ze prędkością zbliżoną do prędkości pracy CPU. Zatem gdyby nie pamięć

podręczna, szybko taktujące mikroprocesory byłyby zmuszone do przestojów w swoim

działaniu. W konsekwencji cały komputer pracowałby wolniej. Pamięć Cache ma też

jedna wadę. Jest nią koszt jej produkcji, a w rezultacie i pojemność. Generalnie ze

względów ekonomicznych pamięć typu Cache nie wyparła jeszcze tradycyjnej pamięci

RAM. Jeśli chodzi natomiast o lokalizację pamięci Cache, to występuje ona zawsze na

26

drodze lub przy drodze łączącej mikroprocesor z pamięcią główną RAM. Wyróżnia się

zatem następujące trzy układy: układ konwencjonalny (Look Aside) – wszystkie

elementy są ze sobą połączone (CPU + Cache + RAM); układ Look – Through: CPU

jest połączone tylko z Cache oraz RAM jest połączona tylko z Cache; układ Backside:

RAM jest połączony tylko z CPU oraz Cache jest połączony tylko z CPU. Ostatni

schemat podłączenia pamięci podręcznej jest aktualnie najczęściej spotykany.

3.3.5.

Funkcje kontrolne i sterujące

Jak wiadomo mikroprocesor jest urządzeniem, które spełnienia niebagatelnie

ważną rolę. Szybkość pracy oraz wielość zadań, które mikroprocesor ma do

rozwiązania, wymuszają zastosowanie mechanizmów kontrolnych i sterujących.

Oczywiście jest to zadanie dla twórców, którzy konstruują takowy sprzęt.

Mikroprocesory, które dziś są dostępne na rynku, posiadają właśnie takie mechanizmy.

Generalnie można je podzielić na trzy kategorie: systemy sterowania, systemy śledzenia

i nadzoru oraz systemy diagnostyczne. Na systemy sterowania składają się rejestry

konfiguracyjne. Ich zadanie polega na określeniu aktualnego stanu pracy

mikroprocesora. Rejestry te pozwalają również na dokonywanie zmian w jego

ustawieniach. Drugą kategorię, czyli systemy śledzenia i nadzoru, stanowią przede

wszystkim funkcje, których zadaniem jest śledzenie (debug) od strony sprzętowej

przebiegu wykonywanego programu. Stąd proces ten nazywa się często debugowaniem.

Ponadto do tej kategorii zalicza się również układy, które dokonują pomiarów

wydajności przetwarzania mikroprocesora (performance monitoring), a także układy

mierzące czas (timers). Ostatnia (trzecia) kategoria to systemy diagnostyczne. Stanowią

je układy, których zadaniem jest wykrywanie ewentualnych błędów w pracy

wewnętrznych elementów mikroprocesora.

3.3.6.

Częstotliwość taktowania

Częstotliwość taktowania mikroprocesora ma niebagatelne znaczenie. Wpływa

ona na szybkość wykonywania operacji, a w konsekwencji na ogólną wydajność tego

elementu komputera. Częstotliwość taktowania mikroprocesora jest wielokrotnością

ustawienia częstotliwości zegara magistrali płyty głównej komputera. Dlatego też

ważne jest aby dobrać właściwy mnożnik i dzięki temu uzyskać odpowiednią

częstotliwość taktowania mikroprocesora. Dla przykładu: jeśli dysponujemy magistralą

27

66MHz, a częstotliwość CPU wynosi 200MHz, to oznacza, że należy dobrać mnożnik

x3. Użytkownik ma możliwość ustawienia owego mnożnika, aczkolwiek nie zaleca się

aby czynność tę wykonywały niedoświadczone osoby. Zwiększenie wartości mnożnika

powoduje wymuszenie szybszej pracy mikroprocesora. Jeśli dla danego mikroprocesora

dobrany zostanie zbyt duży mnożnik, to w rezultacie jego częstotliwość może okazać

się większa niż właściwa częstotliwość, o której informuje producent. W takiej sytuacji

może dojść do uszkodzenia nie tylko mikroprocesora ale również innych elementów

składowych komputera.

3.3.7.

Dostarczanie energii

Jak powszechnie wiadomo urządzenia elektroniczne potrzebują w ogóle do

działania energii elektrycznej. Oczywiście podobna sytuacja ma miejsce jeśli chodzi o

mikroprocesory. Wartości napięć, których wymagają współczesne mikroprocesory, są

różne. Zależą one od rodzaju mikroprocesora. Oczywiście prąd jest dostarczany z płyty

głównej poprzez odpowiednią podstawkę (np. Socket 5 lub Socket 7) przeznaczoną dla

mikroprocesora. Odpowiednie napięcie zasilania jest często ustawiane automatycznie,

bowiem współczesne płyty główne są na ogół wyposażone w układy potrafiące

zidentyfikować model podłączonego mikroprocesora. Takie rozwiązanie występuje w

płytach głównych przeznaczonych do pracy z mikroprocesorami Pentium Pro lub

Pentium II. Zdarza się jednak, że użytkownik jest zmuszony do ustawienia

odpowiedniej wartości napięcia zasilania (płyty główne dla mikroprocesorów z rodziny

Pentium oraz Pentium MMX). Należy wtedy bardzo uważać aby nie uszkodzić sprzętu

podając zbyt duże napięcie zasilania. Natomiast zbyt niski poziom napięcia prądu może

spowodować utratę stabilności, ale nie zaszkodzi mikroprocesorowi. Jeśli chodzi o

zużycie energii przez mikroprocesor, to jest ono największe w trakcie przetwarzania

materiału MPEG, a najmniejsze w chwili gdy system czeka na podjęcie decyzji przez

użytkownika. Warto także wspomnieć, iż wielu światowej klasy producentów sprzętu

komputerowego (ASUS, ABIT) projektuje uniwersalne płyty główne. Oznacza to, że

takowa płyta główna może zasilić jeden spośród wielu dostępnych na rynku

mikroprocesorów.

28

3.3.8.

Koprocesor

Koprocesor jest elementem, którego zadanie polega na wspomaganiu pracy

mikroprocesora w obliczeniach numerycznych. Jest to jednostka, która nie potrafi

działać samodzielnie. Ściśle współpracuje ona z mikroprocesorem. Na ogół połączenie

mikroprocesora z koprocesorem jest utożsamiane jako mikroprocesor posiadający

większą liczbę rozkazów, rejestrów oraz typów danych. Działanie koprocesora polega

na wykonywaniu operacji numerycznych, których instrukcje przekazuje mikroprocesor.

W czasie gdy koprocesor wykonuje obliczenia, mikroprocesor wykonuje inne,

określone kodem, instrukcje. Instrukcje przeznaczone dla mikroprocesora są

ignorowane przez koprocesor. Należy zauważyć, iż obecność koprocesora w systemie

jest opcjonalna.

3.3.9.

Rozszerzenia

Współczesne mikroprocesory, dostępne na dzisiejszym rynku sprzętu

komputerowego, są niejednokrotnie wyposażone w tzw. rozszerzenia. Należą do nich:

MMX (MultiMediaeXtention), ISSE (Internet Streaming New Instructions) oraz

3DNow! Pierwsze dwa dotyczą mikroprocesorów produkowanych przez największego

światowego producenta tego sprzętu, czyli firmę Intel. Natomiast trzecie wymienione

rozszerzenie dotyczy mikroprocesorów produkowanych przez największego konkurenta

Intela, czyli firmę AMD. Rozszerzenie ISSE jest ulepszoną technologią MMX i zostało

ono wprowadzone wraz ze skonstruowaniem mikroprocesora Pentium-III. Powodem

stosowania rozszerzeń jest rozwój komputerów w kierunku multimedialnym.

Rozszerzenia te polegają na ulepszaniu mikroprocesorów pod względem

konstrukcyjnym. W mikroprocesorach z owymi rozszerzeniami pojawiają się nowe,

dodatkowe rejestry, rozkazy oraz typy danych. Rozszerzenia wspomagają w głównej

mierze stronę multimedialną. Chodzi tu szczególnie o przetwarzanie obrazów, animacji

3D, projekcji video, dźwięków, a także danych MPEG. W efekcie mikroprocesory

posiadające rozszerzenia szybciej wykonują swoje zadania.

3.4.

Rozwój mikroprocesora na przestrzeni ostatnich lat

W XXw nastąpił ogromny postęp w dziedzinie myśli ludzkiej. Rozwinęła się

przede wszystkim nauka. Opracowane nowoczesne technologie zaczęły coraz śmielej

29

wkraczać do codziennego życia ułatwiając je. Postęp ten dotyczył i dotyczy nadal także

informatyki i komputerów. Jak wiadomo jednym z najważniejszych i niezbędnych

elementów komputera jest mikroprocesor. Postęp w dziedzinie jego tworzenia był i jest

wciąż bardzo widoczny i konieczny. Jest tak, bowiem współczesny rozwój

nowoczesnych technologii wymusza także na producentach mikroprocesorów

poszukiwania nowych metod tworzenia tego typu sprzętu. Zatem jeśli chodzi o rozwój

mikroprocesora w ostatnich latach, to już 1976r firma Intel zaprojektowała 16-bitowy

mikroprocesor 8086, który dysponował przestrzenią adresową rzędu 1MB. Po

dziesięciu latach pojawił się na rynku mikroprocesor 8088 (również 16 bitowy). Jednak

mógł on współpracować z magistralami 8-bitowymi. Był to bardzo popularny

mikroprocesor, a częstotliwość taktowania jego zegara wahała się od 4,77MHz w

pierwszych wersjach aż do 10MHz w ostatnich. Po krótkim czasie Intel skonstruował

mikroprocesory 80186 oraz 80188. Były one zmodernizowanymi wersjami 8086 i 8088.

Zmniejszono rozmiary mikroprocesorów, a także zwiększono liczbę rozkazów w

stosunku do poprzedników. W 1981r na rynku pojawił pierwszy się model

mikroprocesora 80286. Jego zasadniczym atutem była kompatybilność z poprzednimi

mikroprocesorami (8086 lub 8088). Fakt ten oznaczał, że programy przeznaczone do

pracy ze starszymi mikroprocesorami mogły również poprawnie działać we współpracy

z modelem 80286. Inną ważną cechą i nowością dotyczącą tegoż mikroprocesora jest

możliwość pracy w trybie rzeczywistym oraz chronionym. Po kolejnych czterech latach

na rynku ukazał się pierwszy model mikroprocesora 80386. Był to sprzęt 32-bitowy,

który był zdolny do zaadresowania 4GB pamięci fizycznej. Ponadto potrafił on także

pracować w dwóch trybach: rzeczywistym i chronionym (jak model 80286).

Przełączanie trybów nie wymagało tu jednak restartu systemu. W 1989r znów doszło do

przełomu w dziedzinie mikroprocesorów. Na rynku ukazał się mikroprocesor 80486.

Był on ulepszonym modelem 80386. Zmiany, których w nim dokonano były ogromne.

Przede wszystkim mikroprocesor 80486 był został znacznie zmodyfikowany pod

względem konstrukcyjnym. Oprócz minimalizacji rozmiarów mikroprocesora (ścieżka

o szerokości mniejszej od 1

µ

m) po raz pierwszy pojawiło się przetwarzanie potokowe.

Nowością było także zastosowanie pamięci podręcznej – Cache oraz koprocesora, który

wspomagał obliczenia numeryczne. Po kolejnych czterech latach firma Intel

wprowadziła na rynek nowy typ mikroprocesora o nazwie Pentium. Był to także 32-

bitowy sprzęt wyposażony w 16kB pamięci podręcznej. Częstotliwość taktowania

wynosiła w tym przypadku od 75 do 200MHz. Trochę lepszą wydajność miały

30

mikroprocesory Pentium Pro oraz Pentium z rozszerzeniem MMX. Zapewniało ono

lepszą pracę od strony multimedialnej. Podobne parametry prezentowały także

mikroprocesory należące do klasy Pentium, lecz wykonane przez innych producentów.

Chodzi tu o modele K5 i K6 (odpowiednik Pentium MMX) firmy AMD. Należy tu

także mikroprocesor M1 produkowany przez amerykańskiego Cyrix,a oraz WinChip C6

pochodzący z firmy Centaur Technology wchodzącej w skład grupy IDT. Następną

grupę mikroprocesorów tworzyły te należące do grupy zgodnej z Pentium II

wprowadzone na rynek w 1997 i 1998r. Były to również 32-bitowe mikroprocesory.

Należały do nich: Pentium II oraz Celeron, które były produktami firmy Intel, a także

mikroprocesor K6-2 firmy AMD. W tej grupie znalazły się także M2 firmy Cyrix oraz

WinChip 2 z IDT. Częstotliwość taktowania mikroprocesorów tej rodziny wahała się od

225MHz (IDT) do 533MHz (K6-2). Ponadto przedstawiciele tej grupy miały znacznie

rozbudowany Cache w stosunku do mikroprocesorów klasy Pentium. Mikroprocesory

posiadały także instrukcje MMX’owe lub 3DNow! wbudowane w swoją strukturę. Po

kolejnych dwóch latach Intel wprowadził na rynek nowy typ mikroprocesora o nazwie

Pentium III oraz Celeron III. Jego odpowiednikiem ze strony firmy AMD był

mikroprocesor K6-III. Odpowiednik ze strony Cyrix’a to ViA Cyrix III. Częstotliwość

taktowania mikroprocesorów w tej klasie wahała się od 450MHz do nawet 1,4GHz (w

zależności od gniazda, na którym osadzony był mikroprocesor). Mikroprocesory tej

grupy zostały wzbogacone o nowe instrukcje dla strony multimedialnej (obróbka obrazu

3D, video i dźwięków).

Powyższa uproszczona analiza pokazuje szybkość i wielkość postępu

dotyczącego mikroprocesorów. W każdej z wyżej wymienionych klas systematycznie

zmniejszała się szerokość ścieżki wewnątrz mikroprocesora, czyli technologia jego

wykonania. Wynosiła ona np. 0,35

µ

m w mikroprocesorze AMD K6 lub 0,18

µ

m w

mikroprocesorze AMD Athlon. Zwiększał się także rozmiar pamięci podręcznej –

Cache. Wzrastała systematycznie liczba nowych instrukcji oraz częstotliwość

taktowania zegara. Widać więc, że mikroprocesory posiadały coraz lepsze parametry

(nie tylko te podstawowe ale również pozostałe!) i osiągały coraz lepsze wyniki. Proces

unowocześniania i polepszania trwa nieustannie po dziś dzień i ma on charakter

wyścigu pomiędzy największymi, światowymi producentami mikroprocesorów. W

dalszej części pracy okaże się jaka jest dzisiejsza sytuacja na rynku współczesnych

mikroprocesorów.

31

3.5.

Przykłady mikroprocesorów aktualnie dostępnych na rynku – porównanie

Obecnie dostępnych jest na rynku wiele różnych modeli mikroprocesorów. Są to

mikroprocesory tzw. siódmej generacji. Jak już wiadomo z wcześniejszych rozważań,

najwięksi światowi producenci takowego sprzętu to firmy Intel oraz AMD.

Mikroprocesory, które zostały skonstruowane przez te firmy to: różne wersje Pentium 4

ze strony Intela oraz różne wersje Athlona (a także jego pochodnej czyli Durona) ze

strony AMD. W tabeli „Porównanie mikroprocesorów” przedstawionych zostało kilka

informacji o jednym, bardzo dziś popularnym, przedstawicielu każdej z firm.

Tabela 1 Porównanie mikroprocesorów

Cecha

Intel Pentium 4

AMD Athlon XP

Generacja

7

7

Typ

32-bitowy

32-bitowy

Architektura

CISC

CISC

Magistrala systemowa

800 MHz lub 533 MHz lub

400 MHz

200MHz

Częstotliwość taktowania

W zależności od magistrali:
2,4 – 3,6GHz przy
magistrali 800MHz;

1,3 – 2,8GHz przy magistralach:

533 i 400MHz

1333MHz – 2200MHz

Rozmiar pamięci podręcznej

L1 – 8kB; L2 – 256kB

L1 – 8kB; L2 – 512kB

Wbudowane rozszerzenia

SSE – zestaw instrukcji

przyspieszających przetwarzanie

grafiki (gł. 3D), video oraz

dźwięków

SSE – zestaw instrukcji

przyspieszających przetwarzanie

grafiki (gł. 3D), video oraz

dźwięków

Gniazdo komunikujące
mikroprocesor z płytą główną

Socket 423 lub Socket 478

Socket A

Dodatkowe funkcje

Hyper-Threading – komputer

zachowuje się jak maszyna

wieloprocesorowa. Opcja ta

występuje tylko w wersjach

powyżej 3GHz

-

Oczywiście nie są to wszystkie możliwe dane dotyczące tych przykładowo

wybranych mikroprocesorów. Niemniej jednak już tutaj można zauważyć pewne

różnice. W ich konsekwencji wydajność tych mikroprocesorów jest różna. Zależy ona

także od tego jakie są zadania do wykonania.

32

Jeśli natomiast chodzi o mikroprocesory aktualnie produkowane przez te firmy

to jest to już sprzęt ósmej generacji. Przedstawiciele to: Prescott ze strony Intel’a oraz

Athlon 64 z rodziny AMD. Częstotliwość taktowania tych mikroprocesorów to min.

2GHz – Athlon 64, natomiast Prescott jest wyposażony w zegar taktujący z

częstotliwością min. 3,4GHz i posiada magistralę 800MHz. Niemniej jednak te

mikroprocesory nie są jeszcze bardzo popularne jak modele wymienione powyżej.

Powodem jest zapewne jeszcze zbyt wysoka cena.

Z powyższych rozważań widać, że mikroprocesor jest bardzo ważnym elementem

zestawu komputerowego. W istotny sposób wpływa on na jego poprawne i wydajne

działanie. Zatem odpowiedni jego dobór w stosunku do pozostałych elementów zestawu

komputerowego zapewni użytkownikowi komfortowe warunki pracy z komputerem.

33

4. Wizja rozwoju mikroprocesora w związku z obecnym stanem

techniki oraz współczesnym postępem technologicznym

Treści niniejszego rozdziału będą się skupiać dookoła przyszłości w dziedzinie

rozwoju mikroprocesorów. W poprzednim rozdziale ukazana została budowa

współczesnego mikroprocesora, a także jego rola i zasada działania. Dokonany został

również krótki zarys historyczny dotyczący rozwoju mikroprocesora w ostatnich latach,

a także zostały porównane ze sobą dwa wybrane mikroprocesory konkurujących za sobą

firm. Wszystkie te informacje pozwolą na dokonanie prognozy postępu z dziedzinie

konstruowania mikroprocesorów.

4.1.

Ocena obecnej sytuacji dotyczącej mikroprocesorów

Ubiegłe lata pokazały, iż rozmiar postępu w dziedzinie mikroprocesorów był i

jest nadal bardzo duży. Oczywiście jest on uwarunkowany wieloma czynnikami.

Wymienić tu przede wszystkim należy rozwój techniki. Szczególnie ważna jest rola

elektroniki. Coraz lepsze surowce i coraz nowsze metody ich przetwarzania są

poszukiwane właśnie po to, aby konstruować z nich nie tylko mikroprocesory, ale

również inne urządzenia. Wiadomym jest fakt, że chodzi o to, aby te konstrukcje

powstawały jak najszybciej, jak najtaniej, przy zachowaniu najwyższej jakości produktu

finalnego. Inny ważny dziś czynnik to stan światowej gospodarki. Ogromne fabryki,

średnie i małe przedsiębiorstwa w mniejszym lub większym stopniu korzystają z

pomocy różnorakich maszyn zarządzanych przez komputer. Tak więc znów widać, że

komputer wyposażony w solidny mikroprocesor jest coraz bardziej niezbędnym

narzędziem wykorzystywanym w codziennej pracy. Innym istotnym czynnikiem

mogącym się przyczyniać do rozwoju mikroprocesorów (a zatem także dzisiejszego ich

stanu) jest sektor wojskowy. Konstruowanie coraz wymyślniejszych systemów

obronnych i zabezpieczających państwa od strony militarnej wymusza postęp nauki,

techniki i nowoczesnych technologii. Mikroprocesory zarządzające komputerami w

bazach wojskowych są na pewno o wiele bardziej niezawodne od tych, które są

stosowane w innych okolicznościach. Ich zadania są na tyle istotne, że jakość, którą te

mikroprocesory muszą prezentować, musi być na najwyższym możliwym światowym

poziomie. Kolejny czynnik wymagający postępu w konstrukcji mikroprocesorów wiąże

się ze zdrowiem i medycyną. Urządzenia elektroniczne będące na wyposażeniu szpitali

34

posiadają również mikroprocesory, które sterują tym sprzętem. Jakość i potrzeba

niezawodności zastosowanych mikroprocesorów jest tutaj również sprawą priorytetową.

Względy są oczywiste, bowiem konsekwencje doboru sprzętu, który nie jest możliwie

najlepszy mogłyby być tragiczne. Ostatnim ważnym czynnikiem, który wymusza

rozwój mikroprocesorów (choć już w mniejszym stopniu) jest potrzeba indywidualnych

użytkowników. Komputery osobiste służą bowiem zwykłym mieszkańcom naszego

globu do celów edukacyjnych. Uprzyjemniają również wolny czas. Mikroprocesory

stosowane w komputerach osobistych muszą sprostać coraz większym wymaganiom

dostępnych aplikacji. Chodzi tu głównie o aplikacje multimedialne. Widać więc, że

rozwój mikroprocesora jest konieczny, gdyż jego zastosowań można dzisiaj dopatrzyć

się na wielu istotnych płaszczyznach ludzkiego życia.

4.2.

Próba określenia kierunku, szybkości oraz strategii rozwoju

mikroprocesora

Jak już wcześniej zauważyliśmy szybki rozwój nauki znajduje odzwierciedlenie

w codziennym życiu setek milionów ludzi na całym naszym globie. Innymi słowy

mówiąc jesteśmy coraz bardziej uzależnieni od efektów, jakie niesie za sobą postęp.

Praca wykonywana niegdyś ręką człowieka staje się coraz mniej efektywna i potrzebna.

Jest tak, bowiem nasze codzienne życie staje się coraz mniej zależne tylko od nas

samych. Powodem jest fakt, iż wiele zwykłych, prozaicznych czynności wykonują za

nas różnorakie maszyny. Dziś trudno przecież sobie wyobrazić zakład produkcyjny

niewyposażony w specjalistyczne urządzenia służące do wyrobu jakiegoś produktu.

Również współczesne gospodarstwo domowe nie jest pozbawione np. lodówki bądź

pralki. Coraz częściej w naszych domach pojawiają się również komputery. Wszystkie

urządzenia elektroniczne, bez względu na ich przeznaczenie, posiadają mikroprocesor.

Jego zadaniem jest sterowanie sprzętem (nie tylko komputerem!!!), w którym się on

znajduje. Pełni on także funkcję kontrolną nad pracą owego sprzętu. W związku z

faktem, że nauka rozwija się obecnie bardzo szybko, można się spodziewać, że również

rozwój samego mikroprocesora będzie bardzo prężny. Coraz większa mechanizacja

wszystkich sfer życia człowieka oraz rozwijająca się gospodarka światowa skłania

twórców mikroprocesorów do tego, aby urządzenia te były wciąż lepsze i lepsze.

Chodzi przede wszystkim o jak największą niezawodność sprzętu. Zadaniem twórców

jest, i prawdopodobnie nadal będzie, konstruowanie takich mikroprocesorów, których

35

praca byłaby narażona na ewentualne występowanie błędów w stopniu minimalnym.

Ważnym czynnikiem jest także prędkość wykonywania zadanych instrukcji. Im szybciej

mikroprocesor będzie w stanie wykonać swoje zadania, tym oczywiście lepiej. Tak więc

widać, że w dobie wielkiego postępu technologicznego, który wciąż obserwujemy,

istotne (z punktu widzenia twórców mikroprocesorów) będzie budowanie jak

najbardziej niezawodnych i przy tym najszybszych mikroprocesorów. To właśnie

wysoka wydajność, która wynika z niezawodności i szybkości działania, będzie

prawdopodobnie priorytetowym celem w tworzeniu coraz nowszych mikroprocesorów.

Aby takowy rozwój mikroprocesorów był w ogóle możliwy potrzeba dalszego rozwoju

także innych dziedzin. Chodzi głównie o chemię, która poszuka odpowiednich

materiałów do budowy mikroprocesora. Niezmiernie ważne są także zależności

fizyczne, które określą sposób jego działania. Tak więc widać, że rozwój

mikroprocesora jest silnie związany i zależny od rozwoju nauki. Kierunek rozwoju dość

ciężko sprecyzować. Mikroprocesor jest elementem wielu różnych urządzeń, a zatem

będzie się on prawdopodobnie rozwijał na wielu płaszczyznach. Charakter jego postępu

będzie wymuszany pojawiającymi się potrzebami. Prawdopodobnie również rozwój

mikroprocesora będzie nadal bardzo szybki (przynajmniej taki, jak w ostatnich kilku

latach). Jeśli chodzi o strategię rozwoju mikroprocesora, to także trudno ją przewidzieć.

Przypuszczalnie najwięksi światowi producenci tego sprzętu będą się starali

konstruować mikroprocesory jak najbardziej wydajne i wymagające przy tym

minimalnej ilości energii potrzebnej do działania. Ważnym aspektem będzie także

dalsza miniaturyzacja.

Istotą tego rozdziału była, krótka analiza obecnej sytuacji w dziedzinie

mikroprocesorów. Na podstawie zebranych informacji oraz wiadomości historycznych

dotyczących rozwoju mikroprocesora udało się wysunąć prognozę dalszego

(przyszłościowego) jego postępu. Natomiast jak będzie naprawdę, na ile prognoza jest

trafna, okaże się prawdopodobnie już w najbliższej przyszłości. Czas pokaże co będzie

dalej...

36

5. Podsumowanie

Treści niniejszej pracy licencjackiej skupiły się przede wszystkim na

mikroprocesorze. Omówiona została, w sposób uproszczony, jego budowa. Poruszone

także zostały kwestie dotyczące roli jaką pełni to urządzenie. W sposób dość

syntetyczny przedstawiona została również zasada działania mikroprocesora. W pracy

znalazły się także informacje dotyczące historii rozwoju, jak i aktualnej sytuacji

dotyczącej tegoż urządzenia. Celem tej pracy było również podkreślenie ważności

mikroprocesora, dlatego też w pierwszym rozdziale znalazły się informacje o

„naturalnym środowisku” jego występowania. Zatem omówiona została także budowa

oraz rola urządzeń, które wraz z mikroprocesorem tworzą współczesny komputer. Nim

jednak do tego doszło przedstawione zostały wiadomości historyczne z zakresu

matematyki, informatyki oraz techniki od czasów starożytnych aż po współczesność.

Wszystko po to, aby uwidocznić postęp naukowy. Informacje zgromadzone w rozdziale

pierwszym oraz drugim posłużyły do próby ustalenia prognozy dalszego rozwoju w

dziedzinie mikroprocesorów. Szczególnie ważne było określenie kierunku i szybkości

rozwoju mikroprocesora. Niemniej istotnym zagadnieniem, które niestety bardzo trudno

było precyzyjnie omówić, jest strategia rozwoju tego urządzenia. Problem tkwi tutaj w

nieznajomości zamiarów największych światowych producentów mikroprocesorów.

Sprawa dalszej strategii rozwoju takiego sprzętu jest wciąż otwarta i

najprawdopodobniej potrzeba rynku ją wymusi. Niemniej jednak już dziś widać, że

ludzkość XXIw jest bardzo uzależniona od komputerów (a zatem także od

mikroprocesorów!). Pozwala to stwierdzić, że mający miejsce postęp naukowy na

pewno nie ulegnie zahamowaniu. Jego owocami powinny być coraz bardziej

niezawodne i coraz szybsze mikroprocesory, komputery, a także inne urządzenia służące

każdemu człowiekowi w trudach jego codziennego życia.

37

6. Literatura

[1]

P. Metzger, Anatomia PC, Wydawnictwo Helion, Gliwice 2001.

[2]

http://www.phys.uni.torun.pl/~duch/

– Strona Wydziału Fizyki, Astronomii i

Informatyki stosowanej UMK w Toruniu.

[3]

http://historia.adrem.pl/chrono.php3

– Strona poświęcona historii rozwoju

komputera.

[4]

http://www.budowakomputera.konin.lm.pl/

– Strona poświęcona budowie

komputera.

[5]

http://sjp.pwn.pl/haslo.php?id=32269

– wyjaśnienie pojęcia „mikroprocesor” w

Słowniku Języka Polskiego (Wydawnictwo Naukowe PWN SA).

[6]

http://swo.pwn.pl/haslo.php?id=17739

– wyjaśnienie pojęcia „mikroprocesor” w

Słowniku Wyrazów Obcych (Wydawnictwo Naukowe PWN SA).

38