Mikroprocesor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
Mikroprocesor

Mikroprocesor (zkráceně µP či uP) je v informatice označení pro centrální procesorovou jednotku (zkratka CPU, anglicky central processing unit), která je jako celek uložena do pouzdra integrovaného obvodu[1] nebo do několika integrovaných obvodů.[2] Postupně zpracovává jednotlivé instrukce programu, čímž realizuje požadovanou funkci.

Mikroprocesor představuje příklad sekvenčního logického obvodu, který pro uložení dat používá dvojkovou soustavu.

Tato elektronická součástka je ukryta nejenom v osobních počítačích (jedná se o poměrně malou skupinu mikroprocesorů), ale např. ve spotřební elektronice, CNC strojích, automobilech. Ve všech odvětvích techniky se setkáváme s trendy automatického řízení (například v oblastech těžkého průmyslu, letectví, automobilů, lékařství, telekomunikací nebo energetiky.

Předchůdce mikroprocesorů byly elektronické CPU vyrobené z oddělených TTL integrovaných obvodů.

Tranzistor změnil situaci ve vývoji elektroniky, zejména proto, že se jednalo o elektronickou součástku bez pohyblivých částí. Jedná se o součástku, která dokázala v mnoha oblastech efektivně nahradit do té doby používané elektronky a relé.

Vývoj mikroprocesorů dosud sleduje Mooreův zákon týkající se stálého zvyšovaní výkonu v čase. Tento zákon nám říká, že se „komplexnost integrovaného obvodu s ohledem na minimální cenu komponent zdvojnásobí každých přibližně 18 měsíců“, což se ve všeobecnosti i překvapivě dělo od začátku 70. let. Od samotných začátků jako mozek kalkulaček viděl zvyšující se výkon k dominanci mikroprocesorů v každé jiné formě počítače; každý systém od největšího mainframe (sálový počítač) po nejmenší handheld dnes v jádře používá mikroprocesor.

Historie[editovat | editovat zdroj]

Související informace naleznete také v článku Historie procesorů.

První čipy[editovat | editovat zdroj]

Technologie výroby integrovaných obvodů pokročila v 60. letech 20. století natolik, že okolo roku 1970 bylo možné vyrobit procesor, jehož podstatná část byla realizována jedním integrovaným obvodem. Začátkem 70. let byly prakticky současně vytvořeny tři typy mikroprocesorů jako výsledek tří nezávislých projektů v přibližně stejném čase: Intel 4004Texas Instruments TMS1000 a Garrett AiResearch Central Air Data Computer MP944.

V roce 1968 společnost Garrett začala pracovat na počítači schopným soupeřit s elektromechanickými systémy, které byly vyvíjeny pro systém letové kontroly nové stíhačky F-14 Tomcat námořnictva USA. Návrh byl hotový do roku 1970 a jako jádro používal čipovou sadu založenou na MOS, byl menší a spolehlivější než mechanické systémy a začal se používat ve všech raných modelech letadel Tomcat. Systém považovalo námořnictvo za velmi vyspělý, označilo jej za tajný, a utajování pokračovalo až do roku 1997. Z toho důvodu je CADC a čipová sada MP944 považována za poměrně neznámou i dnes.

Firma Texas Instruments vyvinula 4bitový čip Texas Instruments TMS1000. Testovala hranice předprogramovaných vložených aplikací a v září 1971 představila verzi zvanou TMS1802NC 17, které implementovala kalkulačku na čipu.

Ve firmě Intel vyvinul Federico Faggin 4bitový čip Intel 4004, ten byl uvolněn do prodeje dne 15. listopadu 1971.

Firma Texas Instruments se ucházela o patent na mikroprocesor a Gary Boone jej dostal v USA 3,757,306 za architekturu mikroprocesoru na jediném čipu dne 4. září 1973. V letech 1971 a 1976 firmy Intel a Texas Instruments podepsaly mnoho vzájemných licenčních patentových dohod, podle kterých firma Intel platila firmě Texas Instruments za patent na mikroprocesor.

Jednočipový počítač je variantou mikroprocesoru, která kombinuje jádro mikroprocesoru (CPU), paměť a vstupně/výstupné linky na jednom čipu. Patent USA 4,074,351 na počítač na čipu, zvaný patent na mikropočítač, byl udělen Garymu Booneovi a Michaelovi J. Cochranovi z firmy Texas Instruments. Mimo tohoto patentu je správný význam mikropočítače počítač používající (několik) mikroprocesor(ů) jako svůj CPU, zatímco koncept patentu do jisté míry připomíná mikrokontrolér.

Intel uzavřel smlouvu s Computer Terminals Corporation (dříve zvanou Datapoint) ze San Antonio v Texasu na čip určený pro terminál, který navrhovali. Datapoint se rozhodl čip nepoužít a Intel jej prodával od dubna 1972 jako 8008 . Čip se stal prvním 8bitovým mikroprocesorem na světě. Byl základem počítačové sady Mark-8, propagované v časopise Radio-Electronics v roce 1974.

Procesory Intel 8008 a jeho následovník Intel 8080 otevřely trh s mikroprocesorovými komponentami.

Předpona mikro se přestala používat.

Významné 8bitové procesory[editovat | editovat zdroj]

Po Intel 4004 později následoval Intel 8008, první 8bitový procesor. Tyto procesory jsou předchůdci tržně úspěšného Intel 8080Zilog Z80 a odvozené 8bitové procesory Intel 8bit.

Konkurenční architektura Motorola 6800 byla klonována a vylepšena firmou MOS Technology pod názvem MOS Technology 6502, čímž soupeřila s popularitou Z80 v osmdesátých letech.

Z80 i 6502 se soustředily na nízkou cenu, dosaženou díky kombinaci malého pouzdra a jednoduchými požadavky na sběrnici a integrované obvody. Ty byly poskytovány jako oddělený čip (např. Z80 obsahoval paměťový kontrolér). Byly to právě tyto vlastnosti, které umožnily start „revoluci“ domácích počítačů na začátku osmdesátých let, která nakonec produkovala polo-užitečné stroje za 99 USD.

Motorola představila osmibitový procesor MC6809 v srpnu 1974. Jiný z prvních 8bitových procesorů byl Signetics 2650, vyráběný společností stejného jména.

Výchozí návrh mikroprocesoru ve světě vesmírného letu byl RCA 1802 od Radio Corporation of America (též známy jako CDP1802, RCA COSMAC), který NASA použila v programu vesmírných sond Voyager a Viking v sedmdesátých letech a na palubě sondy Galileo na Jupiter (1989-1995). CDP1802 byl použit proto, že má velmi nízkou spotřebu a protože jeho výrobní proces  zajišťoval lepší ochranu proti kosmickému záření a elektrostatickým výbojům než jakýkoli jiný  procesor té doby; proto se o 1802 hovoří jako o prvním procesoru se zvýšenou odolností vůči radiaci.

Rozdělení (mikro)procesorů[editovat | editovat zdroj]

Podle instrukční sady[editovat | editovat zdroj]

Podle instrukční sady se dělí na procesory (CPU) s úplnou instrukční sadou CISC (Complex Instruction Set Computing) a procesory s redukovanou instrukční sadou ), RISC ( Reduced Instruction Set Computing), VLIW a EPIC.

Mezi představitele CPU s instrukční sadou CISC patří mikroprocesory řady x86-64. Představitelé CPU s instrukční sadou RISC jsou mikroprocesory ARM, SPARC, MIPS, PowerPC a Alpha. Mezi představitele VLIW patří zejména mikroprocesory Tilera a některé GPU fy AMD a představitelé instrukční sady typu EPIC jsou mikroprocesory IA-64 a ev. mikroprocesory Elbrus.

Podle šířky slova (v bitech)[editovat | editovat zdroj]

Jedním ze základních ukazatelů procesoru je počet bitů, tj. šířka operandu (slova), který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku. První procesory byly 4bitové, což bylo dáno tím, že často pracovaly přímo s čísly v desítkové soustavě. Brzy přišly 8bitové procesory, u nichž se zjednodušeně dá říci, že umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, zatímco 16bitový procesor s čísly od 0 do 65535 (tj. 0 až 216-1) atd. Operace s většími čísly pak musí být rozděleny do několika kroků. Procesory se slovem 32bitů byly dlouho dostačující, ale protože kvůli návrhu dokázaly přímo adresovat jen 4 GB virtuální paměti, byly nahrazeny procesory 64bitovými.

Existovaly i procesory, které měly exotické šířky slova, například 10 nebo 24 bitů (například DSP z řady Motorola 56000). V počítačích se však prosadily procesory s šířkou slova danou mocninou 2 (kvůli jednodušší manipulaci a vzájemné zaměnitelnosti jednotlivých operandů).

Podle architektury procesoru[editovat | editovat zdroj]

Procesory RISC s redukovanou sadou strojových instrukcí a CISC procesory s velkým počtem strojových instrukcí. Jako výhodnější[zdroj?] se ukazují instrukční sady typu RISC, avšak některé architektury z důvodu zachování zpětné kompatibility pracují i se strojovým kódem typu CISC (Intel x86). Procesory RISC jsou velmi úspěšné např. v mobilních telefonech nebo v superpočítačích, protože jednodušší architektura se projevuje nižší spotřebou energie.[3]

Podle podpory operačního systému[editovat | editovat zdroj]

Pro jednoduché aplikace nemusí procesor integrovat jednotku pro správu a ochranu paměti (MMU, anglicky memory management unit), případně podporovat ochranu paměti nebo privilegovaný režim. Pro provoz plnohodnotných operačních systémů (například Windows NT a vyšší tj. XP, 7, 8 ..., Linux, Mac OS X atd.) je jednotka správy a ochrany paměti nezbytná. Bez zmíněné podpory v procesoru jsou velmi omezené možnosti primitivního multitaskingu, současné práce více uživatelů na jednom počítači nebo virtualizace.

Podle stupně integrace[editovat | editovat zdroj]

Jednočipový mikropočítač nebo také mikrokontrolér (MCU) obsahuje kromě procesoru i další obvody, jako jsou časovače (timery a watchdog timery), nevolatilní paměť (EEPROM, FLASH nebo ROM) a volatilní paměť (typicky SRAM), dále vstupně výstupní obvody, takže je schopen samostatné funkce. Za průkopníky v této kategorii můžeme považovat 8bitový procesor Intel i8051, který poprvé integroval všechny základní periferie (jádro procesoru, paměť RAM, EEPROM, čítače a časovače) na jediném čipu a 16bitový technologický procesor Siemens SAB 80C166, který poprvé integroval A/D převodníky, komunikační linky a masivní systém čítačů/časovačů/přerušení. Následníky řady 80166 dnes[kdy?] vyrábí Infineon (řada C167 a C166 SV2) a SGS Thomson (řada ST10). V současnosti v oblasti jednočipových mikropočítačů a mikrokontrolérů převažují obvody založené na architektuře ARM.

Podle specializace[editovat | editovat zdroj]

Digitální signálový procesor (DSP) je zaměřen na zpracování signálu. DSP jsou optimalizovány na co nejrychlejší opakování jednoduchých matematických algoritmů, zaměřených na zpracování signálu. Typickou aplikací DSP je filtrace signálu pomocí filtrů FIR a IIR nebo Fourierova analýza. DSP se dnes používají především ve spotřební elektronice a v telekomunikační technice. Současné DSP obsahují proti svým předchůdcům navíc také rychlé komunikační linky, aby bylo možné přenášet velký datový tok, protékající těmito procesory. Můžeme rovněž pozorovat snahy o spojení výhod DSP a mikroprocesorů, ať už je to cestou rozšiřování DSP o periferie nebo rozšiřováním mikrokontrolérů o DSP jednotky.

Podle počtu jader[editovat | editovat zdroj]

V současnosti[kdy?] jde vývoj směrem k integraci více jader, tedy více procesorů do jediného čipu. Tento trend můžeme pozorovat u procesorů pro osobní počítače. Procesory se tedy dělí na jednojádrové a vícejádrové. Zvyšování počtu jader je v podstatě vynuceno fyzikálními omezeními (např. rychlostí šíření elektrického signálu, technologií daným ztrátovým výkonem čipu, ...). Integrací většího počtu jednodušších jader je možné dosáhnout při stejné výrobní technologii na stejné ploše křemíku pro některé aplikace (více náročných paralelních výpočtů) mnohem vyšší výpočetní výkon, než použitím jediného složitého jádra.

Podle implementace[editovat | editovat zdroj]

Mikroprocesor může být vytvořen jako jednoúčelový obvod určený přímo k velkosériové výrobě, ale může být implementován také jako firmware běžící v programovatelném hradlovém poli. Jádro jednoduchých 8bitových mikroprocesorů se skládá z 5 až 10 tisíc hradel.

Základní parametry mikroprocesoru[editovat | editovat zdroj]

Díky složitosti procesorů není možné stanovit několik jednoduše srozumitelných obecných parametrů, které by umožnily objektivní srovnání různých procesorů. Následující tabulka umožňuje zhruba srovnat hlavní rysy současných procesorů.

Parametr Popis Jednotka běžný rozsah
Výkon CPU (celočíselný) Počet základních operací provedených za jednu sekundu IPS (např. soft. Dhrystone) jednotky až stovky GIPS (gigaops)
Výkon FPU (desetinný) počet desetinných operací v jednoduché nebo dvojnásobné přesnosti, které zvládne provést mikroprocesor za sekundu FLOPS (např. soft. Whetstone) až jednotky TFLOPS (teraflops)
Řada Oficiální označení velikosti tranzistorů nm 10000 nm (roku 1971), 1500 nm (1982), 600 nm (1994), 90 nm (2004), 14 nm (2014) 7 nm (2019)
Výrobní proces Skutečná velikost hradla tranzistorů nm 45 nm (2004), 25 nm (2014)
Šířka slova Maximální bitová šířka operandů instrukcí bit 4 – 64 (nebo FP vektory až 8x64bit)
Počet jader Počet a typ jader integrovaných v procesoru číslo běžně 1 – 16 jader
Efektivita strojového kódu Počet instrukcí potřebných pro provádění běžných operací IP/cyklus hodin 1 – 5 (CISC), 1 – 12 (RISC)
Šířka externí datové sběrnice Maximální počet bitů, které je možné během jedné operace přenést z/do čipu bit 8 – 128
Frekvence externí datové sběrnice (FSB) Maximální frekvence přístupu do externí paměti RAM Hz stovky MHz
Interní paměť cache Kapacita rychlé interní vyrovnávací paměti integrované přímo na čipu procesoru Byte i několik MiB (většinou 4-12MiB)
Velikost adresovatelné paměti Velikost externí paměti, kterou je procesor schopen přímo používat Byte u 32bitových CPU řádově 4 GiB i více

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. OSBORNE, Adam. An Introduction to Microcomputers. 2nd. vyd. Berkeley, California: Osborne-McGraw Hill, 1980. Dostupné online. ISBN 0-931988-34-9. (anglicky) 
  2. Krishna Kant Microprocessors And Microcontrollers: Architecture Programming And System Design, PHI Learning Pvt. Ltd., 2007 ISBN 81-203-3191-5, page 61, describing the iAPX 432.
  3. SPEC CPU2006 Results

Literatura[editovat | editovat zdroj]

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]