Arhitectura calculatoarelor - structura microprocesoarelor x86

Microprocesorul, componentă principală a calculatorului

Microprocesorul reprezintă unitatea centrală de procesare (UCP) a unui calculator, componentă ultracompactă şi de o importanţă majoră; alegerea acesteia determină limitele performanţei şi preţul sistemului de calcul. Pentru a înţelege performanţele şi capacităţile unui calculator, trebuie cunoscute opţiunile existente în materie de microprocesoare. În zilele noastre, majoritatea microprocesoarelor care rulează software pentru calculatoare personale (PC - Personal Computer) sunt variante îmbunătăţite ale vechiului procesor 8086 (procesor care în 2011 a împlinit 33 de ani de la apariţie) şi au la bază arhitectura x86.

Primele dispozitive de calcul erau electromecanice, folosind schimbătoare de stare fizice. Acestea erau foarte încete, nesigure şi zgomotoase datorită componentelor mecanice, ceea ce însemna că ceva se mişca atunci când un bit îşi schimbă valoarea. Următoarea generaţie de dispozitive folosea tuburi cu vacuum. Acestea reprezentau o îmbunătăţire majoră, în sensul că nu mai aveau părţi mişcătoare. Tuburile electronice au permis crearea primelor calculatoare electronice, care aveau însă multiple probleme în funcţionare. O dată cu inventarea tranzistorului în 1948 la Bell Laboratories (SUA), tehnologia s-a îmbunătăţit, tranzistorii fiind mult mai mici, mai rapizi şi mai ieftini. În continuare, faptul care a permis crearea procesoarelor moderne a fost inventarea circuitului integrat, care este un grup de tranzistori fabricaţi dintr-o singură bucată de material şi conectaţi intern, fără cablaje externe. Circuitele integrate se mai numesc prescurtat CI sau cipuri.

Dintre toate materialele ce conduc curentul electric, doar unele pot să facă acest lucru în anumite condiţii. Astfel au apărut semiconductorii. Cel mai folosit semiconductor este siliciul. A apărut astfel tehnologia implantului pe o pastilă de siliciu a mai multor tranzistori ce sunt rapizi, siguri şi folosesc relativ puţină putere. Primul circuit integrat a fost inventat în 1959 de Texas Instruments. El conţinea doar şase tranzistori pe o suprafaţă semiconductoare. După inventarea circuitului integrat, a durat puţin timp pentru a conştientiza imensele beneficii ale miniaturizării şi integrării unui număr tot mai mare de tranzistori în acelaşi cip. Tehnica LSI - Large Scale Integration – a însemnat creearea circuitelor integrate ce au fost construite la început din mai multe componente discrete. Aceste dispozitive conţineau de regulă sute de tranzistori. Primele computere au fost realizate încorporând mai multe circuite integrate mici conectate pe circuitul de pe placă. O imagine a unui circuit integrat pe bază de siliciu este prezentată în figură de mai jos.

Figura 1. Circuit integrat - microprocesor

O dată cu trecerea timpului, tehnologia LSI s-a îmbunătăţit şi cipurile au devenit mai mici, mai rapide şi mai ieftine. Bazându-se pe succesul anterior, inginerii au învăţat să încorporeze mai multe funcţii logice într-un singur circuit. A apărut astfel VLSI – Very Large Scale Integration - tehnologie ce înglobează milioane de tranzistori. La început, funcţiile executate de procesor erau implementate folosind cipuri logice diferite. Intel a fost prima companie ce a încorporat toate aceste componente logice într-un singur cip. Acesta a fost primul microprocesor, 4004, produs în 1971. Toate microprocesoarele de astăzi sunt descendenţi (unii foarte avansaţi) ai acestui prim cip pe 4 biţi.În viitorul apropiat tehnologia VLSI va deveni tehnologie GSI (GigaScale Integration) şi chiar TSI (TeraScale Integration). În acest context, gigascale şi terascale semnifică existenţa a mai mult de un miliard de cipuri, respectiv un milion de miliarde de componente integrate într-un singur cip.

În zilele noastre, tehnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) reprezintă tehnologia dominantă pe piaţa semiconductorilor pentru microprocesoare, memorii şi circuite integrate specializate pe aplicaţii (ASIC Application Specific Integrated Circuits).

Caracteristici de funcţionare

Frecvenţa

Este cea mai comună caracteristică a unui procesor, şi este în relaţie direct proporţională cu 3 puterea sa de calcul. Unitatea de măsură a frecvenţei este ciclul pe secundă (Hertz-ul). Un procesor mai este caracterizat şi de dimensiunea magistralei de date, care se măsoară în biţi. Cu cât aceasta este mai mare, evident, fluxul informaţiilor tranzitate şi prelucrate va fi mai mare, procesoarele actuale dispunând de o magistrală pe 64 de biţi, inaugurata de Pentium. Creşterea frecvenţei microprocesorului este principalul mijloc de a creşte performanţele. Datorită diferenţei de arhitectura între diferitele generaţii de procesoare, puterea de calcul poate varia în cazul a două procesoare cu aceeaşi frecventă dar aparţinând unor generaţii diferite. De aceea, capacitatea de calcul a unui Pentium 100 MHz ar fi apropiată de cea a unui ipotetic 486 la 200 MHz. Un exemplu recent îl constituie performanta medie a lui Pentium 4 2000 MHz, care este sensibil egală cu a unui AMD Athlon 1600 MHz. Frecvenţa unui procesor este direct legată de mărimea circuitelor interne. Fabricantul trebuie să găsească un echilibru între reducerea dimensiunii circuitelor, fapt ce provoacă reducerea căldurii disipate şi creşterea frecvenţei de lucru, frecvenţă care determină automat şi creşterea temperaturii.

Memoria cache

Memoria cache este o memorie de mare viteză, inclusă în totalitate în procesor (la procesoarele actuale) sau pe placa de bază (la primele modele), care păstrează informaţiile şi datele cele mai recent utilizate. Aceasta este împărţită pe mai multe nivele (levels), în funcţie de distanţa" faţă de unitatea de calcul. Astfel, memoria cache level 1 poate fi accesată imediat, fără stadii de aşteptare, deoarece lucrează la viteza procesorului. Memoria cache level 2, este de obicei mai mare şi a cunoscut o evoluţie marcantă. Iniţial ea a fost incorporata pe placa de bază şi deţinea o viteză mică; apoi ea a fost alăturată procesorului, funcţionând la o viteză fracţionată, dar comparabilă cu acesta. în final, ea a fost integrată în pastila de siliciu a acestuia, având astfel o viteză egală cu CPU- ul. Avantajul memoriei cache consta în reducerea timpilor de aşteptare, deci în creşterea vitezei de lucru, deoarece memoria RAM a sistemului este mult mai lentă decât procesorul. Avantajul memoriei cache (level 1 sau level 2) se poate observa uşor dezactivând-o din BIOS. Ca fapt divers, eliminarea L1 cache-ului din orice procesor, oricât de modern ar fi, chiar dacă rulează la 1 sau 2 GHz, chiar dacă deţine memorie L2 cache integrata şi de dimensiune mare, va 4 produce scăderea performantelor până aproape de nivelul unui 486.