Mikroprocesor

Mikroprocesor Intel 80486

Mikroprocesor je integrisano kolo velikog stepena integracije komponenata. Funkcioniše kao centralna procesorska jedinica računara na jednom integrisanom kolu ili najviše nekoliko intergisanih kola. Mikroprocesor je svestrano upotrebljiv programabilni uređaj koji prihvata digitalne podatke kao ulaz, obrađuje ih prema instrukcijama smeštenim u memoriji dajući rezultat na izlazu. Obrađuje brojeve i simbole predstavljene binarnim brojnim sistemom. Pojava jeftinih računara sa intergisanim kolima transformisala je moderno društvo. Mikroprocesori opšte namene u personalnim računarima koriste se za izračunavanja, obradu teksta, prikaz multimedijalnih sadržaja i komunikaciju preko interneta. Mnogo više mikroprocesora je u sastavu ugrađenih sistema (engl. embedded system) obezbeđujući digitalnu kontrolu na milione objekata, od kućnih uređaja do automobila, mobilnih telefona i kontrolera industrijskih procesa.

Postoje i Risk mikroprocesori koji mogu da izvršavaju složene komande samo preko osnovnih kao što su: and, or, nor, xor, xnor ...

Ovi mikroprocesori se koriste isključivo za kalkulatore, automobile i industriju.

Savremeni mikroprocesor

• 
  Izgled ARM risk mikroprocesora.

Osnovne karakteristike

Tri osnovne karakteristike mikroprocesora su:

• Skup instrukcija: lista naredbi koje mikroprocesor može da izvršava.
• Širina sabirnice za podatke: Broj bitova koji se obrađuje jednom naredbom.
• Brzina rada: određuje koliko naredbi u sekundi procesor može da izvrši. Izražava se u (MIPS)-ima (Million Instructions per Second) i direktno je zavisna od radnog takta procesora (frekvencije rada) koja se izražava gigahercima (GHz).

Sabirnice

Sabirnice (n/m - broj izlaznih i ulaznih linija za kontrolu)

Mikroprocesor ima tri vrste linija (sabirnica) za povezivanje i linije za napajanje:

• Linije za podatke: obezbeđuju dvosmeran protok informacija različite širine. Širina sabirnice za podatke je obično umnožak broja 2 (4, 8, 16, 32, 64). Širina sabirnice za podatke određuje najveći broj koji je moguće postaviti na linije za podatke i može biti $2^{N}-1$ gde je N širina sabirnice (za 4 je 15, za 8 je 255, za 16 je 65535 itd.)
• Linije za adresiranje: obezbeđuju pristup lokacijama u spoljnoj memoriji i memorijski mapiranim ulazno/izlaznim uređajima. Radi uštede broja linija za povezivanje, koje na sebi ima kućište mikroprocesora, proizvođači ponekad deo linija koriste za protok podataka i za adresiranje (multipleksirane linije). Kada će linije imati jednu ili drugu funkciju određuje se linijama za kontrolu..
• Linije za kontrolu: obezbeđuju sinhronizaciju događaja unutar mikroprocesora sa događajima van (pristup memoriji, ulazno/izlaznim uređajima i dr.) u taktu koji je određen brzinom rada.

Organizacija memorijskog prostora

Mikroprocesor može da ima jedinstven ili razdvojen memorijski prostor za program i za podatke. U zavisnosti od organizacije memorijskog prostora za ove dve osnovne vrste sadržaja dostupnih mikroprocesoru koriste se tri arhitekture:

• Von Nojman: memorijski prostor za program i podatke je jedinstven
• Harvard: memorijski prostor za program i podatke je odvojen i može imati različite širine sabirnica
• Izmenjena Harvard: memorijski prostor za program i podatke je odvojen ali je moguće referenciranje programskog dela memorije iz memorijskog prostora za podatke.

ARM Mikroprocesori

ARM serije su najmoćniji risk mikroprocesori koji postoje. Najveći njihov proizvođač je Texas Instruments, a njegovi suparnici su Microchip i Atmel.

Arhitektura mikroprocesora

Najznačajnije razlike među mikroprocesorima su u broju registara, njihovoj nameni i međusobnim vezama. Broj registara i njihova organizacija direktno utiču na listu naredbi. Proizvođači su nastojali da nađu dobar kompromis između broja registara i liste naredbi kako bi programi mikroporocesora bio maksimalno efikasni. Veliki broj mikroprocesora pokazuje da u tome nisu bili uvek uspešni jer je razvoj mikroprocesora uvek bio ispred proizvodnje terajući proizvođače da stalno izbacuju nove, naprednije mikroprocesore.

Najmanji set registara potrebnih pri programiranju bio bi:

• Akumulator: Registar preko kojeg idu sve aritmetičko/logičke operacije, operacije čitanja i upisivanja memorije i registara
• Indeks: Registar koji olakšava referenciranje bloka memorije
• Status: Registar koji sadrži rezultate aritmetičko/logičkih operacija, stanja prekida izvršavanja programa. Broj funkcija ovog registra zavisi od složenosti organizacije mikroprocesora
• Programski brojač: Pokazuje adresu u memoriji na kojoj se nalazi sledeća instrukcija.
• Pokazivač steka: Registar koji poveća svoj sadržaj svaki put kada se pozove potprogram i umanji kada se kontrola vrati prethodnom programu. Može da sadrži stvarnu adresu u memoriji koja je određena kao prostor za stek ili da sadrži indeks na registar u kojem se nalazi adresa sledeće instrukcije kojoj treba predati kontrolu izvršavanja.

Registri nedostupni pri programiranju ali neophodni za rad mikroprocesora bili bi:

• Registar instrukcija: Mesto u koje se upisuje sadržaj iz programske memorije. Predstavlja opis sledećih akcija mikroprocesora.
• Dekoder instrukcija (više registara): Dekodira sadržaj registra instrukcija pripremajući uslove za izvršavanje. Radi uštede, neki proizvođači ne dekodiraju sva moguća stanja registra instrukcija što je, nakon otkrivanja ove činjenice, dovelo do stvaranja sintetičkih instrukcija za sva nedekodirana stanja. Proizvođači nisu podržavali rad ovih instrukcija. Postojanje sintetičkih instrukcija je dovelo do sintetičkog programiranja koje je u nekim slučajevima bilo efikasnije od programiranja standardnim instrukcijama. Procesori MOS 6502 i Zilog Z80 su primeri mikroprocesora sa ovim tipom instrukcija.
• Aritmetičko logička jedinica (više registara): Sa akumulatorom kao primarnim registrom za manipulaciju podacima omogućava aritmetičke i logičke operacije nad sadržajem akumulatora, registara unutar procesora i memorije. Rezultati operacija najčešće ostaju u akumulatoru a deo je referenciran u status registru (prazan registar, prekoračenje, pozajmica, negativno...)
• Kontrola vremena izvršavanja (više registara): obezbeđuje čitanje sledeće instrukcije, njeno dekodiranje i izvršavanje. Utiče na stanje sve tri sabirnice (podaci, adrese, kontrola)

Istorija

Dugo su računari bili u upotrebi samo na univerzitetima, većim preduzećima i državnim ustanovama, pre svega jer su bili jako glomazni (bile su potrebne čitave prostorije i spratovi) i skupi.

Ali otkrićem mikroprocesora od strane kompanije Intel (engl. Intel Corporation) sve se to promenilo. Japansko preduzeće BUSICOM je naručilo od Intela rešenje za jednostavniju proizvodnju stonih kalkulatora. Intelovi stručnjaci su zahtev shvatili malo ozbiljnije i 1971. godine napravili prvi mikroprocesor, 4004. Ovaj primitivni, četvorobitni mikroprocesor je prvi put primenjen u stonom kalkulatoru BUSICOM 141-PF. Nakon toga je usledila eksplozija u razvoju, sa sve bržim 8, 16, 32, i 64 bitnim procesorima.

Upotreba

Mikroračunari (bazirani na mikroprocesorima) se prave i koriste ne samo kao radne stanice i serveri, već i u robotima, telekomunikacionim uređajima, satelitima, automobilima, instrumentima, mobilnim telefonima, kamerama, kućnim uređajima kao što su mašine za pranje rublja, mikrotalasne rerne i kućnim pekarama hleba, kao mikrokontroleri. Video-igre su praktično specijalizovani računari.

Mikrokontroler

Za svrhe kontrole uređaja, vremenom su od mikroprocesora razvijeni mikrokontroleri, koji imaju dodatne osobine pogodne za kontrolu.

Tipičan mikrokontroler danas ima nekoliko satova („tajmera“), analognih i digitalnih ulaza i izlaza, brojače, reset i naponske zaštite, memoriju i drugo, sve integrisano na jednom čipu.

Budućnost

Mikroprocesori danas spadaju u najkomplikovanija integralna kola. Male dimenzije im omogućavaju smanjenu potrošnju u odnosu na prethodnike, mnogo veće brzine rada i, možda najvažnije, mogućnost upotrebe praktično u bilo kom uređaju. Sve ovo je učinilo mikroprocesor jednim od najvećih dostignuća 20. veka i kartu za ulaz u informatičko društvo.

Vidi još

• Murov zakon

Literatura

• Kant, Krishna (2007). Microprocessors And Microcontrollers: Architecture Programming And System Design. PHI Learning Pvt. Ltd. str. 61. ISBN 978-81-203-3191-4. 
• Osborne, Adam (1980). An Introduction to Microcomputers. Volume 1: Basic Concepts (2nd izd.). Berkeley, California: Osborne-McGraw Hill. ISBN 978-0-931988-34-9. 
• Osborne, Adam (1978). An Introduction to Microcomputers. Volume 2: Some Real MicroProcessors. Osborne & Associates, Inc. ISBN 0-931998-15-2. }-.
• "Databook, Z80 Microprocessor Family", 6th Edition, SGS, March 1987.
• 6502 sintetičke instrukcije
• Z80 sintetičke instrukcije

Spoljašnje veze

• Patent problems
• Oppelt, Dirk. „The CPU Collection”. Pristupljeno 23. 12. 2009. 
• Shvets, Gennadiy. „CPU-World”. Pristupljeno 23. 12. 2009. 
• Cremet, Jérôme. „The Gecko's CPU Library”. Pristupljeno 23. 12. 2009. 
• „How Microprocessors Work”. Pristupljeno 23. 12. 2009. 
• Blair, William. „IC Die Photography”. Pristupljeno 23. 12. 2009. 
• Bayko, John (2003). „Great Microprocessors of the Past and Present”. Arhivirano iz originala 15. 4. 2013. g. Pristupljeno 23. 12. 2009. 
• Warner, Wade (22. 12. 2004). „Great moments in microprocessor history”. IBM. Pristupljeno 7. 3. 2013. 
• Holt, Ray M. „theDocuments”. World’s First Microprocessor. Arhivirano iz originala 31. 12. 2011. g. Pristupljeno 23. 12. 2009.