Produkcja mikroprocesorów 1. Wytopienie krzemu w piecach łukowych do postaci 1,5- metrowych prętów. 2. Krzemowe pręty o średnicy 300 mm zostają

Transkrypt

1 Mikroprocesor

2 Mikroprocesor Jest skomplikowanym układem cyfrowym wykonującym operacje matematyczne i logiczne, zamkniętym w szczelnej obudowie Fizycznie jest to krzemowa płytka zawierająca miliony tranzystorów, uzyskiwana podczas skomplikowanego procesu produkcyjnego przebiegającego w kilku etapach.

3 Produkcja mikroprocesorów 1. Wytopienie krzemu w piecach łukowych do postaci 1,5- metrowych prętów. 2. Krzemowe pręty o średnicy 300 mm zostają pocięte na plastry (wafle) o grubości 1 mm za pomocą specjalnej piły diamentowej. 3. Następnie dodaje się do krzemu domieszki w celu utworzenia materiału półprzewodnikowego będącego podłożem przyszłych podzespołów mikroprocesora. 4. Struktura procesora tworzona jest w procesie fotolitografii. Wafel pokrywa się lakierem światłoczułym i naświetla światłem ultrafioletowym przez tzw. maskę. Dzięki masce, która jest aluminiową płytką z wyciętą strukturą procesora, emulsja światłoczuła utwardzana jest w miejscach, gdzie mają znajdować się elementy mikroprocesora.

4 W trakcie tego procesu nakłada się nawet kilkadziesiąt różnych masek. Od rozdzielczości masek zależy, ile elementów zmieści się na powierzchni procesora. Większość dzisiejszych procesorów wykonywanych jest w technologii 45 nm (nanometr jedna milionowa milimetra), jednak produkcja w technologii 32 nm staje się już powoli rzeczywistością (pierwsze modele firmy Intel już są na rynku). 5. Następnie za pomocą specjalnych kąpieli chemicznych usuwa się nieutwardzony półprzewodnik, odsłaniając fizyczną strukturę mikroprocesora z elementami i ich połączeniami. 6. Na pojedynczym krzemowym waflu tworzonych jest jednocześnie kilkaset rdzeni procesora i ostatecznie wafel musi zostać pocięty. Płytki umieszcza się w obudowach. Nóżki z obudowy łączy się z wyprowadzeniami mikroprocesora za pomocą złotych lub platynowych, cieniutkich przewodów.

5 Przetwarzanie informacji 1. Specjalizowany układ cyfrowy, będący zestawem różnorodnych układów cyfrowych połączonych tak, aby realizowały określony sposób przetwarzania informacji. Sposób ten będzie zależał wyłącznie od użytych układów i sposobu ich łączenia, czyli od sprzętu (ang. Hardware ). Dane Wyniki Specjalizowany układ cyfrowy

6 2. System mikroprocesorowy najważniejszym jego elementem jest uniwersalny układ przetwarzający informację, czyli procesor. Procesor przetwarza informację, wykonując na niej elementarne operacje zwane instrukcjami ( bądź rozkazami). Ciąg takich instrukcji realizujący konkretne zadanie przetwarzania informacji nazywamy programem. Do systemu mikroprocesorowego oprócz danych wejściowych musimy więc dostarczyć także program lub zestaw programów, czyli oprogramowanie (ang. Softwer).

7 Dane Wyniki System mikroprocesorowy Program

8 System mikroprocesorowy CPU ROM RAM I/O AB DB CB Zadaniem centralnej jednostki przetwarzającej CPU, oprócz przetwarzania informacji jest sterowanie praca pozostałych układów systemu. W skład CPU wchodzą mikroprocesor i układy pomocnicze

9 Wszystkie działania i operacje zachodzące w systemie są sterowane przez mikroprocesor Każde działanie wykonywane przez system jest wynikiem realizacji określonego programu bądź jego fragmentu Program musi być przechowywany w miejscu łatwo dostępnym dla mikroprocesora w pamięci półprzewodnikowej W bloku pamięci stosowane są pamięci RAM i ROM tworzące razem pamięć operacyjną PAO W tej pamięci przechowywane są kody instrukcji tworzących program, dane oraz wyniki działania programu. Wyróżniamy dwa sposoby komunikacji mikroprocesora z PAO i urządzeniami I/O (ARCHITEKTURY)

10 Architektura z Princeton Dane i programy są przechowywane w tym samym bloku pamięci, z którym komunikuje się mikroprocesor jedną i tą samą magistralą

11 Architektura Harvardzka Blok PAO jest złożony z pamięci programu i danych. Procesor może komunikować się z wymienionymi blokami poprzez osobne magistrale. Umożliwia to jednoczesne wykonanie operacji odczytu kodu i zapisu lub odczytu danych, co przyspiesza pracę systemu.

12 Ponieważ RAM jest pamięcią ulotną to potrzebne jest miejsce do przechowywania danych nawet gdy komputer będzie wyłączony. Takim miejscem jest pamięć ROM w której jest zapisywany BIOS czyli Podstawowy system obsługi wejścia/wyjścia Zawiera on m.in. procedury inicjalizujące pracę systemu oraz umożliwiające wprowadzenie do pamięci operacyjnej dalszego oprogramowania. Ostatnim niezbędnym blokiem są układy wejścia/wyjścia, które pośredniczą w wymianie informacji między mikroprocesorem i pamięcią systemu a urządzeniami peryferyjnymi Wszystkie omówione bloki komunikują się nawzajem drogami zwanymi MAGISTRALAMI

13 MAGISTRALE W systemie występują trzy typy magistrali: Magistrala danych przesyła dane, wyniki oraz kody instrukcji. Jest to magistrala dwukierunkowa czyli informacja może nią wypływać oraz przychodzić z innych układów Magistrala adresowa przesyłane są nią adresy komórek pamięci lub układów z którymi chce skomunikować się mikroprocesor. Jest to mag. Jednokierunkowa adresu generowane przez mikroprocesor przepływają do pamięci lub innych układów we/wy Magistrala sterująca zestaw linii sterujących wykorzystywanych do sterowania pracą układów współpracujących z mikroproc.

14 Podstawowe elementy każdego mikroprocesora to: 1. Jednostka sterowania CU (ang. Control Unit) odpowiedzialna za sterowanie blokami mikroprocesora. 2. Jednostka arytmetyczno-logiczna ALU (ang. Arithmetic Logic Unit) - odpowiedzialna za wykonywanie przez mikroprocesor operacji arytmetycznych na liczbach naturalnych i logicznych. 3. Jednostka zmiennoprzecinkowa FPU (ang. Floating Point Unit, koprocesor) wykonująca operacje arytmetyczne na liczbach zmiennoprzecinkowych.

15 4. Rejestry, m.in.: a. rejestr rozkazów IR (ang. Instruction Register) wewnętrzna komórka pamięci mikroprocesora przechowująca obecnie przetwarzaną instrukcję; b. licznik rozkazów PC (ang. Program Counter) przechowuje kolejne adresy pamięci z rozkazami; c. akumulator A przechowuje wynik wykonywanej operacji; d. wskaźnik stosu SP (ang. Stack Pointer) służy do adresowania pamięci; przechowuje dane w trybie LIFO (ang. Last In First Out ostatni wchodzi, pierwszy wychodzi); e. rejestr flagowy F przechowuje informacje dotyczące realizacji wykonywanej operacji. 5. Pamięć Cache szybka inteligentna" pamięć SRAM przechowująca wyniki najczęściej wykonywanych operacji.

16 rejestry dane A B D F C E ALU wynik H L PC SP EU - jednostka wykonawcza program IR D Układ sterowania zewn. sygnały ster. CU - jednostka sterująca Schemat blokowy mikroprocesora

17