Mikroprocessor

Type	Processor ( in )

Opdagelse

Dateret	1971

En mikroprocessor er en processor, hvor alle komponenterne er tilstrækkeligt miniaturiserede til at blive grupperet sammen i en enkelt kasse . Funktionelt er processoren den del af en computer, der udfører instruktioner og behandler programdata .

Beskrivelse

Indtil begyndelsen af 1970'erne kunne de forskellige elektroniske komponenter, der kræves til drift af en processor, ikke passe på et enkelt integreret kredsløb , hvilket krævede sammenkobling af mange komponenter, herunder flere integrerede kredsløb. I 1971 lykkedes det amerikanske firma Intel for første gang at placere alle komponenter, der udgør en processor, på et enkelt integreret kredsløb og dermed give anledning til mikroprocessoren.

Denne miniaturisering gjorde det muligt:

at øge processorerens driftshastigheder takket være reduktionen af afstanden mellem komponenterne;
reducere omkostningerne ved at erstatte flere kredsløb med et;
for at øge pålideligheden: ved at fjerne forbindelserne mellem processorkomponenterne fjernes en af hovedfejlvektorerne;
at skabe meget mindre computere: mikrocomputere ;
reducere energiforbruget.

De vigtigste egenskaber ved en mikroprocessor er:

Den instruktionssæt der varierer med typen af mikroprocessor og producenten: tilføj to tal, sammenlign to tal for at afgøre, om de er ens, sammenlign to tal for at bestemme, hvilket er det største, multiplicer to tal ... En processor kan udføre flere tiere, endda hundreder eller tusinder af forskellige instruktioner. Kompleksiteten i dens arkitektur Denne kompleksitet måles ved antallet af transistorer indeholdt i mikroprocessoren. Jo flere transistorer mikroprocessoren indeholder, jo mere vil den være i stand til at udføre komplekse operationer og / eller behandle et stort antal. Antallet af bits, som processoren kan behandle samtidigt De første mikroprocessorer kunne ikke behandle mere end 4 bits ad gangen. De måtte derfor udføre flere instruktioner for at tilføje 32 eller 64 bit numre. I 2007 kan mikroprocessorer behandle 64-bit numre. Antallet af bus- , hukommelses- og processorbits har direkte indflydelse på evnen til hurtigt at behandle store tal eller højpræcisionstal (antal med betydelige decimaler). Urets hastighed Urets rolle er at regulere rytmen i mikroprocessorens arbejde. Frekvensen svarer til det, der kaldes en urcyklus. En instruktion, afhængigt af typen af processor og instruktion, kan tage en eller flere urcyklusser. RISC- processorer, hvor alle maskinsprogoperationer er enkle, men fastkablede, tager typisk en cyklus pr. Instruktion. Tværtimod er en CISC- processor , der indeholder mikrokode eller en maskinsproginstruktion, derefter en række kablede instruktioner. Derfor, i alle tilfælde med lige teknologi, jo højere frekvens, jo højere er antallet af instruktioner, der kan udføres.

For eksempel kan en processor A, der kører ved 400 MHz, udføre bestemte instruktioner hurtigere end en anden B, der kører ved 1 GHz , alt afhænger af deres respektive arkitekturer.

Kombinationen af de ovennævnte karakteristika bestemmer mikroprocessorens effekt, der udtrykkes i "millioner af instruktioner pr. Sekund" (MIPS). I 1970'erne udførte mikroprocessorer mindre end en million instruktioner pr. Sekund, men i 2007 kunne processorer udføre over 10 milliarder instruktioner pr. Sekund .

Historie

I 1969 blev mikroprocessoren opfundet af en ingeniør og en fysiker fra Intel , Marcian Hoff (med tilnavnet Ted Hoff) og Federico Faggin , der netop var tilsluttet den med forskning udført i Italien. Federico Faggin , italiensk ingeniør, er i 1968 på Fairchild-SGS i Agrate Brianza , derefter i Palo Alto med Thomas Klein , designeren af det første kommercielle integrerede kredsløb med selvjusterede net, Fairchild 3708, derefter projektleder for Silicon Gate Technology ( SGT), den første praktiske metode til fremstilling af MOS (halvleder / metal / oxid-struktur) integrerede kredsløb med selvjusterede porte, der erstattede den traditionelle aluminiumsport til en MOS-transistor med en siliciumport, for at integrere dobbelt så mange transistorer i den samme overflade. Federico Faggin er ansat af Intel iApril 1970, at være projektleder, skaberen af designmetoden og den ledende designer. På bare et par måneder sammen med Marcian Hoff af de fire chips på Intel 4004, som oprindeligt blev brugt til at fremstille grafikkontrollere i teksttilstand, designede han en almindelig processor med en licens købt fra det japanske Busicom .

Marcian Hoff formulerede mikroprocessorens arkitektur (en blokarkitektur og et instruktions sæt). Den første mikroprocessor på markedet,15. november 1971, Er det 4- bit Intel 4004 , efterfulgt af 8-bit Intel 8008, som oprindeligt blev anvendt til fremstilling teksttilstand grafik controllere . Anses for langsom af kunden, der anmodede om designet, blev det en processor til generelle formål.

Disse processorer er forløberne for Intel 8080 , Zilog Z80 og den fremtidige Intel x86- familie . Federico Faggin er forfatter til en ny designmetode til chip og logik, først baseret på silicium gate- teknologi udviklet af ham i 1968 hos Fairchild . Han ledede også designet af den første mikroprocessor indtil dens markedsintroduktion i 1971 .

Næsten på samme tid udførte det amerikanske firma Motorola lignende værker og innovationer under ledelse af Chuck Peddle fra General Electric , hvor han havde designet et elektronisk kasseapparat, men som i 1970 besluttede at opgive sin computeraktivitet. Han deltog i udviklingen af Motorola 6800 8-bit mikroprocessoren , der derefter blev solgt for 300 US $, og som vil blive brugt til professionelle computere Goupil 1 og 2 fra firmaet SMT .

I 1970'erne , begreberne datagrammer og distribueret databehandling viste , med Arpanet , den Kykladerne netværk og Distributed systemarkitektur , som i 1978 blev den ”OSI-DSA” model . Mikroprocessoren hilses meget hurtigt velkommen som hjørnestenen i denne distribuerede databehandling , fordi det gør det muligt at decentralisere beregningen med billigere og mindre besværlige maskiner sammenlignet med IBM-monopolet , produceret i større serier.

I 1990 , Gilbert Hyatt hævdede faderskab af mikroprocessoren baseret på et patent, han havde indgivet i 1970 . Anerkendelse af Hyatts forventning om patent ville have gjort det muligt for Hyatt at kræve royalties på alle mikroprocessorer fremstillet over hele verden, men Hyatts patent blev ugyldiggjort i 1995 af det amerikanske patentkontor på grund af det faktum, at mikroprocessoren beskrevet i patentansøgningen ikke blev produceret, og kunne desuden ikke have været fremstillet med den tilgængelige teknologi på tidspunktet for indgivelsen af patentet.

Følgende tabel beskriver de vigtigste egenskaber ved mikroprocessorer fremstillet af Intel og viser deres udvikling med hensyn til antallet af transistorer, i kredsløbsminiaturisering og i effektforøgelse. Det skal huskes, at hvis denne tabel beskriver udviklingen af Intels produkter, fulgte udviklingen af konkurrentens produkter det samme forløb mere eller mindre foran eller bagud.

Et computerprogram er i det væsentlige en strøm af instruktioner, der udføres af en processor. Hver instruktion kræver en eller flere urcyklusser , instruktionen udføres i så mange trin, som der er nødvendige cykler. Sekventielle mikroprocessorer udfører den næste instruktion, når de har gennemført den aktuelle instruktion. I tilfælde af instruktionsparallelisme kan mikroprocessoren behandle flere instruktioner i samme urcyklus, forudsat at disse forskellige instruktioner ikke samtidigt mobiliserer en enkelt intern ressource. Med andre ord udfører processoren instruktioner, der følger hinanden og ikke er afhængige af hinanden, på forskellige stadier af færdiggørelsen. Denne kommende udførelse kø kaldes en rørledning . Denne mekanisme blev først implementeret i 1960'erne af IBM . De mere avancerede processorer udfører på samme tid så mange instruktioner, som de har rørledninger, dette på den betingelse, at alle instruktioner, der skal udføres parallelt, ikke er indbyrdes afhængige, det vil sige, at resultatet af udførelsen af hver af dem ikke ændre betingelserne for udførelse af en af de andre. Processorer af denne type kaldes superscalar processorer . Den første computer, der blev udstyret med denne type processor, var Seymour Cray CDC 6600 i 1965. Pentium var den første af de superscalare processorer til pc-kompatible .

Processordesignere søger ikke blot at udføre flere uafhængige instruktioner på samme tid, de søger at optimere udførelsestiden for alle instruktioner. For eksempel kan processoren sortere instruktionerne, så alle dens rørledninger indeholder uafhængige instruktioner. Denne mekanisme kaldes udførelse uden ordre . Denne type processor var vigtig for forbrugermaskiner i 1980'erne og 1990'erne. Det kanoniske eksempel på denne type rørledning er en RISC-processor (reduceret instruktionssætcomputer) i fem trin. Den Intel Pentium 4 har 35 rørledning etaper. En compiler, der er optimeret til denne type processor, leverer kode, der kører hurtigere.

For at undgå at spilde tid på at vente på nye instruktioner, og især den tid det tager at genindlæse sammenhængen mellem hver trådskift , har grundlæggerne tilføjet optimeringsprocesser til deres processorer, så trådene kan dele rørledninger, cacher og registre. Disse processer, grupperet under navnet Simultan Multi Threading , blev udviklet i 1950'erne. På den anden side skal kompilatorerne tage højde for disse processer for at opnå en øget ydeevne, så det er nødvendigt at kompilere programmerne til disse igen. typer processorer. Intel begyndte at producere processorer, der implementerede SMT-teknologi med to baner i begyndelsen af 2000'erne . Disse processorer, Pentium 4s , kan samtidigt køre to tråde, der deler de samme rørledninger, cacher og registre. Intel kaldte denne tovejs SMT- teknologi : Hyperthreading . Den super-threading (i) er i mellemtiden en SMT teknologi, hvor flere tråde også dele de samme ressourcer, men disse tråde kører kun den ene efter den anden, og ikke på samme tid.

I lang tid eksisterer ideen om at have flere processorer sammen inden for den samme komponent, for eksempel System on Chip . Dette bestod for eksempel i tilføjelse til processoren en aritmetisk coprocessor , en DSP , endda en hukommelsescache, muligvis endda alle de komponenter, der findes på bundkortet. Processorer bruger to eller fire kerner har derfor vist, såsom som IBMs POWER4 udgivet i 2001. De har de teknologier nævnt ovenfor. Computere, der har denne type processorer, koster mindre end at købe et tilsvarende antal processorer. Ydelsen er dog ikke direkte sammenlignelig, det afhænger af det problem, der behandles. Specialiserede API'er er blevet udviklet for at drage fuld fordel af disse teknologier, såsom Intels Threading Building Blocks .

Dateret	Efternavn	Antal transistorer	Ætsning finhed (nm)	Antal kerner	Urfrekvens	data, bredde	MIPS
1971	Intel 4004	2.300	10.000	1	740 kHz	4 bit / 4 bit bus	0,06
1974	Intel 8080	6000	6000	1	2 MHz	8 bit / 8 bit bus	0,64
1979	Intel 8088	29.000	3000	1	5 MHz	16 bit / 8 bit bus	0,33
1982	Intel 80286	134.000	1.500	1	6 til 16 MHz (20 MHz ved AMD)	16 bit / 16 bit bus	1
1985	Intel 80386	275.000	1.500	1	16 til 40 MHz	32 bit / 32 bit bus	5
1989	Intel 80486	1.200.000 (800 nm)	1000 til 800	1	16 til 100 MHz	32 bit / 32 bit bus	20
1993	Pentium ( Intel P5 )	3 100.000	800 til 250	1	60 til 233 MHz	32-bit / 64-bit bus	100
1997	Pentium II	7.500.000	350 til 250	1	233 til 450 MHz	32-bit / 64-bit bus	300
1999	Pentium III	9.500.000	250 til 130	1	450 til 1400 MHz	32-bit / 64-bit bus	510
2000	Pentium 4	42.000.000	180 til 65	1	1,3 til 3,8 GHz	32-bit / 64-bit bus	1.700
2004	Pentium 4 D (Prescott)	125.000.000	90 til 65	1	2,66 til 3,6 GHz	32-bit / 64-bit bus	9.000
2006	Core 2 Duo (Conroe)	291.000.000	65	2	2,4 GHz (E6600)	64-bit / 64-bit bus	22.000
2007	Core 2 Quad (Kentsfield)	2 * 291.000.000	65	4	3 GHz (Q6850)	64-bit / 64-bit bus	2 * 22.000 (?)
2008	Core 2 Duo (Wolfdale)	410.000.000	45	2	3,33 GHz (E8600)	64-bit / 64-bit bus	~ 24.200
2008	Core 2 Quad (Yorkfield)	2 * 410.000.000	45	4	3,2 GHz (QX9770)	64-bit / 64-bit bus	~ 2 * 24.200
2008	Intel Core i7 (Bloomfield)	731.000.000	45	4	3,33 GHz (Core i7 975X)	64-bit / 64-bit bus	?
2009	Intel Core i5 / i7 (Lynnfield)	774.000.000	45	4	3,06 GHz (I7 880)	64-bit / 64-bit bus	76,383
2010	Intel Core i7 (Gulftown)	1.170.000.000	32	6	3,47 GHz (Core i7 990X)	64-bit / 64-bit bus	147.600
2011	Intel Core i3 / i5 / i7 (Sandy Bridge)	1.160.000.000	32	4	3,5 GHz (Core i7 2700K)	64-bit / 64-bit bus
2011	Intel Core i7 / Xeon (Sandy Bridge-E)	2.270.000.000	32	4 til 6	3,5 GHz (Core i7 3970X)	64-bit / 64-bit bus	1 eller 2
2012	Intel Core i3 / i5 / i7 (Ivy Bridge)	1.400.000.000	22	4 til 6	3,5 GHz (Core i7 3770K)	64-bit / 64-bit bus
2013	Intel Core i3 / i5 / i7 (Haswell)	1.400.000.000	22	4 til 6	3,8 GHz (Core i7 4770K)	64-bit / 64-bit bus
2014	Intel Core i3 / i5 / i7 (Broadwell)	1.400.000.000	14	4 til 10	3,8 GHz (Core i7 5775R)	64-bit / 64-bit bus
2015	Intel Core i3 / i5 / i7 (Skylake)	1.750.000.000	14	4 til 8	4 GHz (Core i7 6700K)	64-bit / 64-bit bus
2016	Intel Core i3 / i5 / i7 (Kabylake)	?	14	4	4,2 GHz (Core i7 7700K)	64-bit / 64-bit bus
2017	Intel Core i3 / i5 / i7 (Coffee Lake)	?	14	6 til 8	5,0 GHz (Core i7 8086K)	64-bit / 64-bit bus
2019	Intel Core i3 / i5 / i7 / i9 (Ice Lake)	?	10	4	4,1 GHz (Core i7-1068NG7)	64-bit / 64-bit bus
2019	Intel Core i3 / i5 / i7 / i9 (Tiger Lake)	?	10	4	5,0 GHz (Core i7-11375H)	64-bit / 64-bit bus
2020	Intel Core i3 / i5 / i7 / i9 (Comet Lake)	?	14	8	5,3 GHz (Core i9-10900K)	64-bit / 64-bit bus
2021	Intel Core i3 / i5 / i7 / i9 (Rocket Lake)	?	14	8	5,3 GHz (Core i9-11900K)	64-bit / 64-bit bus
2021	Intel Core i3 / i5 / i7 / i9 (Alder Lake)	?	10		?	64-bit / 64-bit bus

Dato : året hvor mikroprocessoren blev markedsført.
Navn : navnet på mikroprocessoren.
Antal transistorer : antallet af transistorer indeholdt i mikroprocessoren.
Ætsningsfinhed (nm) : den mindste mulige bredde (i nanometer ) af transistorkanalen, den fungerer indirekte som en basisenhed (lambda) i dimensioneringen af de andre kredsløbskonstruktioner. Til sammenligning er tykkelsen af et menneskehår 100 mikron = 100.000 nm . Diameteren på et siliciumatom er i størrelsesordenen 100 um = 0,1 nm . I 2014, ved gravering af finhed i størrelsesordenen 10 nm (til hukommelse), befinder vi os med visse strukturer (såsom isolationslaget i transistorporten) med en tykkelse på mindre end 4 nm , hvilket giver nogle få titusinder af siliciumatomer. Ved at øge finheden af ætsningen kommer vi tættere på de grænser, under hvilke materialernes elektriske adfærd er mindre og mindre et spørgsmål om klassisk fysik, men mere og mere af kvantemekanik (elektronerne, der passerer gennem porten til transistorer ved tunnel effekt).
Urfrekvens : frekvensen af det interne ursignal, der cykler mikroprocessoren. MHz = million (er) cyklusser pr. Sekund. GHz = milliarder cykler pr. Sekund.
Databredde : det første tal angiver antallet af bits, som en operation udføres over. Det andet tal angiver antallet af bit overført mellem både hukommelse og mikroprocessoren.
MIPS : antallet af millioner af heltalsinstruktioner, der udføres af mikroprocessoren på et sekund.

Familier

Mikroprocessorer er normalt grupperet i familier afhængigt af det sæt instruktioner, de udfører. Mens dette instruktionssæt ofte inkluderer en base, der er fælles for hele familien, kan de nyere mikroprocessorer i en familie præsentere nye instruktioner. Den bagudkompatibilitet i en familie er ikke altid sikret. For eksempel fungerer et såkaldt x86- kompatibelt program skrevet til en Intel 80386- processor , som muliggør hukommelsesbeskyttelse, muligvis ikke på ældre processorer, men fungerer på alle nyere processorer (for eksempel en Intel Core Duo eller en Athlon d 'AMD).

Der er snesevis af familier af mikroprocessorer. Blandt dem, der har været mest anvendte, kan vi nævne:

Familien, der er mest kendt for offentligheden, er x86- familien , der optrådte i slutningen af 1970'erne , hovedsagelig udviklet af virksomhederne Intel (producent af Pentium ), AMD (producent af Athlon ), VIA og Transmeta . De første to virksomheder dominerer markedet ved at producere de fleste mikroprocessorer til pc'er, der er kompatible med pc og Macintosh siden 2006 .

Den MOS Technology 6502 , som blev anvendt til fremstilling af Apple II , Commodore PET , og hvis efterkommere blev anvendt til Commodore 64 og Atari 2600 konsoller . MOS Technology 6502 blev designet af tidligere Motorola-ingeniører og var meget inspireret af Motorola 6800 .

Zilog Z80- mikroprocessoren blev meget brugt i 1980'erne i designet af de første 8-bit personlige mikrocomputere som TRS-80 , Sinclair ZX80 , ZX81 , ZX Spectrum , MSX- standarden , Amstrad CPC'erne og senere i de indlejrede systemer.

Familien Motorola 68000 (også kaldet m68k) til Motorola animerede den første Macintosh , Mega Drive , Atari ST og Commodore Amiga . Deres derivater ( Dragonball , ColdFire ) bruges stadig i indlejrede systemer.

PowerPC- mikroprocessorerne fra IBM og Motorola udstyrede indtil 2006 mikrocomputere Macintosh (fremstillet af Apple ). Disse mikroprocessorer bruges også i IBMs P- seriens servere og i forskellige indbyggede systemer . Inden for spilkonsoller udstyrer mikroprocessorer, der stammer fra PowerPC, Wii ( Broadway ), GameCube ( Gekko ), Xbox 360 (et trekernsderivat kaldet Xenon). Den PlayStation 3 er udstyret med Cell mikroprocessor , afledt af POWER4, en arkitektur ligner PowerPC.

Processorerne til MIPS-arkitektur animerede arbejdsstationerne fra Silicon Graphics , spilkonsoller som PSone , Nintendo 64 og indlejrede systemer samt routere Cisco . Det er den første familie, der tilbyder en 64-bit arkitektur med MIPS R4000 i 1991. Processorerne til den kinesiske grundlægger Loongson er en ny generation baseret på MIPS-teknologier, der bruges i supercomputere og computere med lavt forbrug.

ARM- familien bruges i dag hovedsageligt i indlejrede systemer , herunder mange PDA'er og smartphones . Det blev tidligere brugt af Acorn til dets Archimedes og RiscPC .

Hastighed til udførelse af instruktioner

Driftsfrekvens

De mikroprocessorer er clocket ved en ur -signal (et almindeligt oscillerende signal om indførelse af en rytme om overførsel mellem kredsløb). I midten af 1980'erne havde dette signal en frekvens på 4 til 8 MHz . I 2000'erne nåede denne frekvens 3 GHz . Jo højere denne frekvens, desto mere kan mikroprocessoren med en høj hastighed udføre de grundlæggende instruktioner for programmerne, men jo mere skal kvaliteten af busserne passes og deres længde tilpasses frekvensen.

Der er ulemper ved at øge frekvensen:

den varmeafledning af et givet kredsløb er proportional med dens driftsfrekvens og med kvadratet på forsyningsspændingen: dette indebærer har en egnet processor afkøling opløsning;
frekvensen er især begrænset af logikporternes omskiftningstider : det er nødvendigt, at de digitale signaler mellem to "uretslag" har haft tid til at rejse hele den nødvendige vej til udførelse af den forventede instruktion; for at fremskynde behandlingen er det nødvendigt at reagere på mange parametre (størrelse på en transistor , elektromagnetiske interaktioner mellem kredsløb osv. ), som det bliver mere og mere vanskeligt at forbedre (samtidig med at driftssikkerheden sikres).

Overclocking

Den overclocking skal gælde for mikroprocessoren en højere frekvens ur signal til anbefalingerne fra producenten, der kan udføre flere instruktioner hvert sekund. Dette kræver ofte mere strømforsyning med risiko for funktionsfejl eller endda ødelæggelse i tilfælde af overophedning.

Optimering af udførelsesstien

Nuværende mikroprocessorer er optimeret til at udføre mere end en instruktion pr. Urcyklus, de er mikroprocessorer med paralleliserede eksekveringsenheder. Derudover forsynes de med procedurer, der "forudser" følgende instruktioner ved hjælp af statistikker.

I løbet af mikroprocessorernes magt konkurrerer to optimeringsmetoder:

Teknologi RISC ( Reduceret instruktionssætcomputer , instruktionssæt enkelt), hurtig med enkle instruktioner standardiseret størrelse, nem at fremstille, og hvor ofte du kan klatre på uret uden for mange tekniske vanskeligheder;
Teknologi CISC ( kompleks instruktionssæt computing ), hver kompleks instruktion kræver flere urcyklusser, men har en masse forudinstallerede instruktioner.

Imidlertid er forskellen mellem RISC og CISC næsten helt forsvundet med krympningen af størrelsen på elektroniske chips og accelerationen af urfrekvenser . Hvor der eksisterede klare familier, kan vi i dag se mikroprocessorer, hvor en intern RISC- struktur giver strøm, samtidig med at den forbliver kompatibel med brugen af CISC- typen (Intel x86-familien har således gennemgået en overgang mellem en organisation, der oprindeligt var meget typisk for 'en CISC struktur . i øjeblikket anvender en meget hurtig RISC kerne , baseret på et system af on-the-fly kode omlejring ) gennemført, delvis takket være stadig større caches , der omfatter op til tre niveauer.

Struktur og drift

Struktur af en mikroprocessor

Den centrale enhed i en mikroprocessor omfatter i det væsentlige:

en aritmetisk logisk enhed (ALU), der udfører operationerne;
registre, der giver mikroprocessoren mulighed for midlertidigt at lagre data;
en styreenhed, der styrer hele mikroprocessoren i henhold til instruktionerne i programmet.

Nogle registre har en meget specifik rolle:

statusindikatorregistret ( flag ), dette register giver til enhver tid mikroprocessorens tilstand, det kan kun læses;
programtælleren (pc, programtæller ), den indeholder adressen på den næste instruktion, der skal udføres;
stakhenvisningen (SP, Stack Pointer ) er markøren til et særligt område af hukommelsen kaldes stakken hvor argumenter subrutiner og tilbagevenden adresser lagres .

Kun programtælleren er vigtig, der er (sjældne) processorer uden et statusregister eller ingen stakmarkør ( for eksempel NS320xx (en) ).

Styreenheden kan også opdeles:

instruktionsregistret, gemmer koden for den instruktion, der skal udføres;
dekoderen afkoder denne instruktion;
sequenceren udfører instruktionen, det er han, der styrer alle mikroprocessorens organer.

Fungerer

Til at begynde med indlæser mikroprocessoren en instruktion indeholdt i hukommelsen takket være programtælleren. Sidstnævnte forøges i forbifarten, så processoren behandler den næste instruktion i den næste cyklus. Instruktionen afkodes derefter, og om nødvendigt vil mikroprocessoren søge i hukommelsen for yderligere data. I nogle tilfælde bruges instruktioner kun til at indlæse data i et specifikt register eller til at skrive data fra et register i hukommelsen. I dette tilfælde indlæser eller skriver processoren dataene og overgår derefter til den næste instruktion. I tilfælde af at processoren skal udføre en beregningsoperation, kalder processoren ALU'en. I mange arkitekturer fungerer dette med et akkumulatorregister . Dette gemmer resultatet af den forrige handling, som derefter kan genbruges. I tilfælde af et spring ( goto, jump ) er det programtælleren, der er direkte modificeret. I tilfælde af et betinget spring ( hvis ) kontrollerer processoren før springet, at en boolsk tilstand er gyldig ( sand ). I nogle spring ( spring ) tilføjer processoren en værdi til akkumulatoren. Dette gør det muligt for programmet at blive udført hvor som helst i hukommelsen. Instruktionerne er derfor opdelt i flere kategorier:

Belastningsinstruktioner ( belastning ): bring batteriet til en bestemt værdi;
Opbevar instruktioner : giver dig mulighed for at skrive værdien af akkumulatoren i et bestemt register eller et hukommelsessted;
Spring instruktioner ( hvis , spring ): bruges til at flytte, vælg den næste instruktion, der skal udføres;
Udregningsinstruktioner ( add , MUL , div , etc. ): tillader for eksempel at tilføje indholdet af X register til akkumulatoren, at formere akkumulatoren af Y registeret, etc.

I slutningen af cyklussen er processoren færdig med at lagre sine data i hukommelsen eller i bestemte registre. I tilfælde af bærer modtager et specielt register værdien af bæringen, som gør det muligt at kombinere det igen for at fungere med flere bits, end arkitekturen tillader. I tilfælde af en fejl, såsom en division med nul, ændrer processoren et statusregister og kan udløse et afbrydelse. Alle disse trin kan udføres i flere urcyklusser. En optimering består i at udføre dem i kæden (rørledningens princip) eller parallelt (superscalar arkitektur). I øjeblikket står producenterne over for vanskelighederne forbundet med stigningen i frekvensen af mikroprocessorer for at øge antallet af instruktioner pr. Cyklus (IPC) for at øge hastigheden på deres processorer. Dette har ført til fremkomsten af multi-core processorer , der består af flere enheder eller kerner , der er i stand til at udføre en instruktion uafhængigt af den anden (i modsætning til en superscalar arkitektur, der holder registre til fælles). Vi taler derefter om beregning parallelt. Dette kræver dog passende programmer, og disse processors ydeevne afhænger derfor i stigende grad af kvaliteten af programmeringen af de programmer, de udfører.

Fremstilling

Fremstillingen af en mikroprocessor er stort set den samme som for ethvert integreret kredsløb . Det følger derfor en kompleks proces. Men den enorme størrelse og kompleksitet af de fleste mikroprocessorer har en tendens til yderligere at øge omkostningerne ved operationen. Den Moores lov , hvori det hedder, at antallet af transistorer på mikroprocessorer dobbelt silicium chips hvert andet år, viser også, at produktionsomkostningerne fordoblet sammen med graden af integration.

Fremstillingen af mikroprocessorer betragtes i dag som en af de to faktorer til at øge kapaciteten i produktionsenheder (med de begrænsninger, der er forbundet med fremstilling af hukommelser med stor kapacitet). Den finhed industriel gravering nåede 45 nm i 2006. Ved yderligere at reducere finheden af gravering, stiftere kommer op imod reglerne for kvantemekanikken .

Opvarmningsproblem

På trods af brugen af stadig finere graveringsteknikker forbliver opvarmningen af mikroprocessorerne omtrent proportional med kvadratet af deres spænding ved en given arkitektur. Med spændingen, frekvensen og en justeringskoefficient kan vi beregne den spredte effekt : $V$ $f$ $k$ $P$

P = k \ gange V ^ {2} \ gange f

Dette problem er knyttet til et andet, nemlig varmeafledning og derfor ofte ventilatorer , kilder til støjforurening. Flydende køling kan bruges. Brug af termisk pasta sikrer bedre varmeledning fra processoren til kølelegemet. Mens opvarmning ikke udgør et stort problem for desktop-applikationer, udgør det alle bærbare applikationer. Det er teknisk let at drive og køle en stationær computer. For bærbare applikationer er dette to vanskelige problemer. Mobiltelefoner, bærbare computere, digitale kameraer, PDA'er og MP3-afspillere har batterier, der skal opbevares, så den bærbare enhed får bedre autonomi.

Fremsyn og innovation

To-dimensionelle materialer : To- dimensionel elektronik er en innovationsvej, der er planlagt fra 2010. Den er baseret på mikroprocessorer i nanometrisk størrelse, der kun er trykt i to dimensioner, fra 2D-halvleder med et eller kun få tykkelsesatomer for at fremme miniaturer elektronikken under de grænser, der tillades af silicium.
I 2010'erne blev prototyper inklusive nogle få transistorer testet med succes.
Organiske materialer, carbon-nanorør eller molybdæn-disulfid er materialer, der synes lovende, især til fremstilling af fleksible forbindelser, som f.eks. Kan integreres i plastplader, tøj eller "bløde robotter". Molybdæn disulfid blev brugt i 2017 til at fremstille en halvleder til at producere en næsten 2D mikroprocessor, der består af 115 transistorer. Sidstnævnte udførte effektivt programmer, der er gemt i ekstern hukommelse (for en bit data, men forfatterne siger, at designet kan skaleres til at håndtere mere). På denne skala er mikroprocessorer usynlige og kan f.eks. Integreres i glasset med briller, forruder eller vinduer eller i en okulær linse.

Noter og referencer

Bemærkninger

Denne hastighed udtrykkes som en frekvens udtrykt i hertz (Hz) , som tæller antallet af cyklusser, at processoren synkronisering ur udfører i et sekund.
Dette er ikke den eneste grund til, men, jo mindre en transistor, jo mindre energi, den behøver for at skifte korrekt.
Virksomhedsproducent af elektroniske chips .

Referencer

(in) " 4004-4-bit mikroprocessor " [PDF] på intel.com (adgang til 6. maj 2017 )
Den anden XX th århundrede (1939-2000): de 12 centrale temaer , Paris, ellipser , coll. "Lomme",2016, 702 s. ( ISBN 978-2-340-01442-8 , OCLC 1004318546 ), s. 208
nanoinformatik - Opfindelse af computeren XXI th century J.B. Waldner , Hermes Science, London, 2007 (tilpasning og opdatering fig: 2.13, s.58)
(in) Manden, der opfandt mikroprocessoren , på bbc.com
(in) "Ted" Hoffs første mikroprocessor , på silicon-valley-story.de, adgang til 25. december 2016
"Pioneer Computers" af JAN Lee [1]
(i) Intel 4004 Mikroprocessor og Silicon Gate Technology , den intel4004.com stedet, adgang til December 7, 2015
(in) F. Faggin og ME Hoff: Standarddele og brugerdefineret design fusioneres i et processorkit med fire chips . Elektronik ,24. april 1972
(in) Nebojsa Matic, [PDF] "PIC-mikrocontrollere, for begyndere" , mit.edu
(i) Gilbert Hyatt filer det første generelle patent på mikroprocessoren, ugyldig Senere på historyofinformation.com december 1970 tilgås December 25, 2016
(in) " Intel 4004-mikroprocessoren og Silicon Gate-teknologien " på intel4004.com (adgang til 25. december 2016 )
( Culler et al. , S. 15)
(i) Patt, Yale (april 2004). " Mikroprocessoren ti år fra nu: Hvad er udfordringerne, hvordan møder vi dem? " Arkiveret kopi " (version af 8. november 2018 på internetarkivet ) Model: Wmv ], på utexas.edu, adgang til 7. november 2007.
Supertrådning med en multitrådet processor på arstechnica.com
" Intel stopper produktionen af sine gamle processorer " på reghardware.co.uk .
Instruktionssættet 6502/6510 - på free.fr
Varmeafledning i elektroniske systemer på teknik-ingenieur.fr
" varmeafledning i komponenter " [PDF] , på nae.fr
(in) " Intel først til at demonstrere arbejdende 45nm chips " på intel.com
Fiori, G. et al. Elektronik baseret på todimensionale materialer . Nat. Nanoteknol. 9, 768-779 (2014).
Mak, KF, Lee, C., Hone, J., Shan, J. & Heinz, TF atomisk tynd MoS2: en ny direkte-gap halvleder. Phys. Rev. Lett. 105, 136805 (2010).
Li, L. et al. Sort fosfor felt-effekt transistorer. Nat. Nanoteknol. 9, 372–377 (2014).
Stefan Wachter, Dmitry K. Polyushkin, Ole Bethge & Thomas Mueller (2017), en mikroprocessor baseret på en todimensional halvleder ; Nature Communications 8, artikel nr. 14948 offentliggjort den 11. april 2017; Doi: 10.1038 / ncomms14948 ( resumé )
Myny, K. et al. En organisk mikroprocessor på 8-bit, 40 instruktioner pr. Sekund på plastfolie. IEEE J. Solid-state Circuits 47, 284-291 (2012).
Shulaker, MM et al. Computer med nanorør i kulstof. Nature 501, 526-530 (2013).
adisavljevic, B., Radenovic, A., Brivio, J., Giacometti, V. & Kis, A. Enkeltlags MoS2-transistorer. Nat. Nanoteknol. 6, 147-150 (2011).
Roy, T. et al. (2015) Dual-gated MoS2 / WSe2 van der Waals tunneldioder og transistorer. ACS Nano 9, 2071-2079
Pu, J. et al. (2012) Meget fleksibel MoS2 tyndfilm-transistorer med iongel-dielektrikum. Nano Lett. 12, 4013-4017
Wang, H. et al. (2012) Integrerede kredsløb baseret på dobbeltlag MoS2-transistorer . Nano Lett. 12, 4674-4680
Cheng, R. et al. (2014) Få-lags molybdæn disulfid transistorer og kredsløb til højhastigheds fleksibel elektronik . Nat. Almindelige. 5, 5143

Se også

Bibliografi

(da) Jon Stokes, en illustreret introduktion til mikroprocessorer og computerarkitektur af Jon Stokes , No Starch Press, 2006, ( ISBN 978-1-59327-104-6 )
(da) Grant McFarland, " Microprocessor Design ", McGraw-Hill Professional, 2006, ( ISBN 978-0-07-145951-8 )
Jean-Baptiste Waldner , Nano-computing og kvanteintelligens - Opfinde computeren XXI th century , Hermes Science, London, 2006 ( ISBN 2-7462-1516-0 )
(i) David E. Culler; Jaswinder Pal Singh og Anoop Gupta (1999)., Parallel computerarkitektur: En hardware / softwaretilgang , San Francisco (Californien), Morgan Kaufmann Publishers,1999, 1025 s. ( ISBN 978-1-55860-343-1 og 1-55860-343-3 , læs online ).
(en) Federico Faggin , et al.: MCS-4 An LSI Microcomputersystem . IEEE 1972 Region Six Conference
(en) Yale Patt , Sanjay J. Patel, Introduction to Computing Systems: From Bits and Gates to C and Beyond , Mc Graw Hill
(da) Wade Warner, Store øjeblikke i mikroprocessorhistorien , 2004, IBM

Relaterede artikler

eksterne links