Mikroprotsessor

Allikas: Vikipeedia
Intel 4004 oli esimene üldkasutuseks mõeldud mikroprotsessor.
Mikroprotsessorite pooljuhttehnika areng 1970-2014

Mikroprotsessor on protsessorit sisaldav integraallülitus. Mikroprotsessor sisaldab arvuti keskprotsessori (CPU) funktsioone ühel või maksimaalselt mõnel integraallülitusel. Näiteks keskprotsessorile Intel 8086 sai lisada lisafunktsioone kaasprotsessoriga (coprocessor) Intel 8087. Personaalarvutite maailmas on sõnad "mikroprotsessor" ja "protsessor" sünonüümid.

Tööpõhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mikroprotsessor on mitmeotstarbeline programmeeritav seade, mis võtab sisendina vastu digitaalse info, töötleb seda vastavalt mälus salvestatud masinakäskudele (ehk instruktsioonidele) ja annab tulemuse väljundina. See on näide järjendloogikast (sequential logic), sest on olemas sisemine mälu (ehk registrid). Mikroprotsessorid töötavad kahendsüsteemis esitatud arvude ja sümbolite järgi.

Kasutus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Madalahinnaliste integraallülitustega arvutite tulek on muutnud tänapäevast ühiskonda. Üldotstarbelisi mikroprotsessoreid kasutatakse personaalarvutites arvutusteks, teksti töötlemiseks, multimeedia kuvamiseks ja suhtlemiseks üle interneti. Mikroprotsessorid on veel kasutusel manussüsteemides, mis on muutnud paljud igapäevased esemed palju kasutajasõbralikumaks ning otstarbe poolest ka efektiivsemaks. Näiteks on laialdaselt kasutusse tulnud autodesse sisseehitatud navigatsioonisüsteemid, nutitelefonid, digitaalkaamerad, mp3 mängijad jne, mis on kõik saanud reaalsuseks mikroprotsessorite arengu tõttu. Mikroprotsessorid võimaldavad panna arvuti tuhandetesse esemetesse, mis traditsiooniliselt polnud arvutiga seonduvad. Need hõlmavad suuremaid ja väiksemaid majapidamisseadmeid, autosid, autovõtmeid, tööriistu ja testseadmeid, mänguasju, suitsuandureid ja audio- ning visuaalseadmeid. Tooted nagu mobiiltelefonid, DVD videosüsteemid ja HDTV ülekande süsteemid vajavad põhimõtteliselt võimsama ja madalama hinnaga mikroprotsessoreid. Järjest rangemad saastekontrolli standardid nõuavad autode tootjatelt mikroprotsessorite kasutamist mootori juhtimissüsteemides, et hoida kontrolli all heitgaaside väljapaiskamine erinevates auto töötamistingimustes. Mitte-programmeeritavad juhtimissüsteemid vajaksid keerukaid, kohmakaid ning kalleid rakendusi, et saavutada tulemused, mis on võimalikud mikroprotsessoritega.

Mikroprotsessori mikroprogrammi (juhtprogrammi) saab kergelt muuta vastavalt toote vajadusele, võimaldades parandada jõudlust minimaalse ümberdisainiga. See võimaldab erinevatele mudelitele tootesarjas lisada erinevaid funktsioone minimaalsete täiendavate kuludega.

Omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mikroprotsessorit iseloomustavad kolm põhilist omadust.

  • Käsustik on komplekt käske, mida mikroprotsessor oskab täita.
  • Sõna pikkus on ühe käsuga töödeldav bittide arv.
  • Taktsagedus määrab ära, kui palju käske mikroprotsessor suudab sekundis täita (taktsagedust mõõdetakse megahertsides).

Mida suurem on sõna pikkus ja kõrgem taktsagedus, seda võimsam on mikroprotsessor. Nii on 32-bitine ja 50 MHz protsessor võimsam kui 16-bitine ja 25 MHz protsessor.

Lisaks liigitusele sõna pikkuse ja taktsageduse järgi jagunevad mikroprotsessorid RISC ja CISC protsessoriteks. Enamikus arvutites on CISC-arhitektuur, mille korral keskprotsessor mõistab 100–350 masinakäsku (neid nimetatakse komplekskäskudeks). RISC-arhitektuur ehk kärbitud käsustikuga protsessor toetab palju väiksemat arvu käske. Seda kasutatakse paljudes tööjaamades ja ka mõnd tüüpi personaalarvutites.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

1960. aastatel ehitati arvuti protsessorid väikese ja keskmise suurusega mikrokiipidest, mis kõik sisaldasid kümneid kuni sadu transistore. Iga arvuti ehitamisel tuli kõik need asetada ja joota trükkplaadile ning plaadid omavahel ühendada. Suur arv diskreetseid loogikaväravaid kasutas rohkesti elektrit ja seega eraldasid palju soojust. 1960. ja 1970. aastatel toimunud NASA Apollo kosmosemissioonidel tehti kõik pardal toimuvad arvutused esmaste juhiste, navigatsiooni ja kontrolli jaoks ühel väikesel protsessoril. Protsessori integreerimine üheks lülituseks ühele või mõnele üksikule mikrokiibile vähendas tunduvalt kulusid. Protsessorid integreerusid üheks või mitmeks suuremahuliseks mikrokiibiks - mikroprotsessoriks. Varem oli nende asemel ühendatud suur hulk väikese või keskmise suurusega mikrokiipe. Ühe kiibiga protsessorid suurendasid arvutite töökindlust, sest seal oli palju vähem väliseid ebakindlaid elektriühendusi.

Integraallülitustel teostatud protsessoreid toodetakse suurtes kogustes kõrgelt automatiseeritud tootmisprotsessides. See langetas iga üksiku protsessori hinda. Kuigi mikroprotsessorid on kiiremaks läinud, siis ühe kiibi tootmise hind on ikkagi üldiselt samaks jäänud.

Jätkuv mikroprotsessorite jõudluse kasv muutis teistliiki arvutite vormid peaaegu täiesti aegunuks. Ühte või mitut mikroprotsessorit kasutati kõiges alates väikestest manussüsteemides ja lõpetades superarvutitega.

Alates 1970. aastate algusest on mikroprotsessorite mahu suuruse kasv järginud Moore'i seadust, mis väidab, et transistorite arv, mida ühte kiipi mahutada saab, kahekordistub iga kahe aasta tagant. Aastast 1965 kuni 1970 arvutati seda kui iga aasta kahekordistamisena.

Ehitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mikroprotsessorite sisemine ehitus erineb sõltuvalt disaini vanusest ja protosessori otstarbest.

Integraallülituse (mikrokiibi) keerukus on seotud füüsiliste piirangutega, mis seavad piiri ühele kiibile paigutatavate transistotide arvule, sisemiste ühenduste maksimaalsele arvule ja võimsusele, mida kiip soojusena eraldab. Tehnoloogilised uuendused muudavad keerukamate ja võimsamate kiipide tootmise teostatavaks.

Minimaalne hüpoteetiline mikroprotsessor võib sisaldada ainult aritmeetika-loogikaplokki (inglise arithmetic and logic unit, lühend ALU) ja juhtseadet (juhtloogika osa). ALU teostab tehteid nagu liitmine, lahutamine ja loogikatehted nagu NING (AND), VÕI (OR) ja Välistav-või (XOR).

Iga ALU-ga sooritatava operatsiooni (tehte) järel seatakse üks või mitu lippu (tunnust) olekuregistris (status register). Need on nulltulemi tunnus (zero flag), negatiivse tulemi tunnus või tunnused (sign flag jt.), ületäitumine (carry flag) ja teised. Juhtseade (juhtloogika osa) hangib käsu operatsiooni koodid (opcode) mälust ja algatab suvalise ALU tehete jada, mis on vajalik antud käsu täitmiseks. Üks operatsiooni kood (opcode) võib mõjutada mitut andmete "teed" ehk siini, registrit ja teisi protsessori osasid.

Protsessorikiipide areng[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mikrokiipide tehnoloogia areng muutis lihtsamaks suuremate ja keerukamate protsessorite tootmise ühel kiibil. Töödeldavad andmeobjektid (ehk arvutisõnad) muutusid suuremaks, lubades rohkem transistore kiibile. See omakorda lubas sõnade suurusel minna 4- ja 8-bitistest sõnadest tänapäevaste 64-bitiste sõnadeni. Lisati täiendavad funktsioone ka protsessori ahitektuurile: suurem arv kiibis paiknevaid registreid kiirendas programmide töötlust. See võimaldas kompaktsemates programmides kasutada keerukamaid juhiseid. Näiteks ujukoma-aritmeetikatehtete võimalust polnud paljudel 8-bitistel mikroprotsessoritel, seepärast tehti neid tehteid keerukama tarkvara abil. Ujukoma üksuse (FPU, floating point unit) lisamisega alguses eraldi lisa-mikrokiibina ja hiljem mikroprotsessori kiibi sisse, kiirendas märgatavalt ujukomaarvutuste kiirust.

Vahetevahel oli vajadus kiipide omavahelise sidumise järele, sest üksikute mikropkiipide võimalused olid füüsiliselt piiratud. Pikkade arvutisõnade ühes kiibis töötlemise asemel võib panna mitu kiipi paralleelselt töötlema seda andmesõnade alamhulka. Selleks oli vaja täiendavaid loogikalülitusi. Tulemuseks oli süsteem mis suutis töödelda näiteks 32-bitisi andmesõnasid samas kui igal kiip suutis töödelda ainult 4 bitiseid sõnasid.

Koos võimalusega lisada rohkem transistore ühele kiibile muutusid teostatavaks protsessoriga samasse kiipi integreeritud mäluseadmed. Protsessori vahemälul on kiirem juurdepääs, kui väljaspool kiipi paikneval mälul ja see kiirendab süsteemi protesside kiirust paljudes rakendustes. Protsessorite jõudlus on kasvanud kiiremini kui välise mälu kiirus ja seetõttu on vajalik vahemälu kui ei taheta protsessori tööd aeglustada aeglasema välise mäluga seotud andmevahetuse tõttu.

Multituumaline disain[muuda | redigeeri lähteteksti]

Multituumaline protsessor on rohkem kui ühte mikroprotsessori tuuma sisaldav kiip. See teoreetiliselt mitmekordistab protsessori arvutusvõimsuse, kuid operatsioonisüsteem ning tarkvara peavad olema disainitud seda ära kasutama. Näiteks siiniliidest ja vahemälu saab kasutada tuumade vahel. Tuumad asetsevad füüsiliselt üksteisele väga lähedal ja seega saavad suhelda palju kiiremini kui eraldi kiipidel asetsevad protsessorid.

2005. aastal ilmusid esimesed kahetuumalised protsessorid personaal arvutitesse. Alates 2012 aastast on enamus koduarvutit ja sülearvutid kahe- või neljatuumaliste protsessoritega ning tööjaamad ja serverid on varustatud nelja-, kuue-, kaheksa-, kümne-, kaheteist- ja kuueteisttuumaliste protsessoritega.

Tänapäevaste lauaarvutite emaplaadid ei toeta mitut protsessorit, kuid vähene osa tarkvarast suudab ära kasutada mitut protsessorit ja seepärast on neljatuumalised protsessorid täiesti piisavad laua- ja sülearvutitele. AMD tõi välja esimese kaheksatuumalise protsessori lauarvutite jaoks 2012. aasta alguses, kuid see on seni ainus nii suure tuumade arvuga ning enamus testides on ikkagi jäänud Inteli samahinnalistele protsessoritele alla.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Mikroprotsessor, vallaste.ee
  • Dirk Oppelt. "The CPU Collection". 2009-12-23.
  • Gennadiy Shvets. "CPU-World". 2009-12-23.
  • Jérôme Cremet. "The Cecko's CPU Library". 2009-12-23.
  • "How Microprocessors Work". 2009-12-23.
  • William Blair. "IC Die Photography". 2009-12-23.
  • John Bayko (December 2003). "Great Microprocessors of the Past and Present". 2009-12-23.
  • Wade Warner (22 December 2004). "Great moments in microprocessor history". IBM. 2009-12-23.
  • Ray M. Holt. "theDocuments". World’s First Microprocessor. 2009-12-23.