Mikroprotsessor

Allikas: Vikipeedia
Intel 4004 oli esimene üldkasutuseks mõeldud mikroprotsessor.

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.

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 transistoreid. Iga arvuti ehitamisel tuli kõik need asetada ja joota trükkplaadile ja tihti tuli mitu plaati omavahel ühendada korpuses. Suur arv diskreetseid loogikaväravaid kasutas rohkem elektrit ja seega eraldasid enam soojust kui paremini integreeritud disaini ja vähemate mikrokiipidega mikroprotsessorid.

1960. ja 1970. aastatel toimunud NASA Apollo kosmosemissioonidel tehti kõik pardal toimuvad arvutused esmaste juhiste, navigatsiooni ja kontrolli jaoks ühe väikese modifitseeritud protsessori peal.

Kogu protsessori integratsioon ühele või mõnele üksikule kiibile vähendas tunduvalt kulusid. Integraallülitusega protsessoreid toodeti suurtes kogustes kõrgelt automatiseeritud protsessides, mis langetas iga protsessori hinda. Ühe kiibiga protsessorid suurendasid töökindlust, sest seal oli palju vähem elektriühendusi, mis võivad ebaõnnestuda. Kui mikroprotsessorite disainid on kiiremaks läinud, siis hind ühe kiibi tootmise jaoks on ikkagi üldiselt samaks jäänud.

Mikroprotsessorid integreerusid üheks või mitmeks suuremahuliseks mikrokiibiks. Varem oli selle asemel ühendatud suur hulk väikese või keskmise suurusega mikrokiipe. Jätkuv mikroprotsessorite võimsuse kasv muutis teised arvuti 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.

Manussüsteemide rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

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 kontrollprogrammi saab kergelt muuta vastavalt toote vajadusele, võimaldades parandada jõudlust minimaalse ümberdisainiga. Erinevad funktsioonid saab lisada erinevatele mudelitele tootesarjast mittearvestatavate tootekulude eest.

Struktuur[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mikroprotsessorite sisemine kord erineb sõltuvalt disaini vanusest ja protosessori otstarbest. Mikrokiibi keerukus on seotud füüsiliste piirangutega, mis seavad piiri kui palju transistoreid saab ühele kiibile asetada, siseühenduste maksimaalne arvu kiibil ja kuumuse, mida kiip eraldab. Uuenev tehnoloogia muudab keerukamate ja võimsamate kiipide tootmise teostatavaks.

Minimaalne hüpoteetiline mikroprotsessor võib sisaldada ainult aritmeetika-loogikaplokki (inglise arithmetic and logic unit, lühend ALU) ja kontroll loogika sektsiooni. ALU teostab operatsioone nagu liitmine, lahutamine ja operatsioone nagu AND või OR. Iga ALU operatsioon paneb ühe või mitu lippu staatusregistris püsti, mis avaldab eelmise operatsiooni tulemuse (null väärtus, negatiivne number, ületäitumine või teised). Loogika sektsioon hangib käsu operatsiooni koodid mälust ja algatab suvalise ALU operatsioonide jada, mis on vajalik, et täita juhised. Üks operatsiooni kood võib mõjutada mitut inviduaalset andmete teed, registrit ja teisi protsessori elemente.

Mikrokiipide tehnoloogia arenguga muutus kergemaks rohkemate ja keerukamate protsessorite tootmine ühel kiibil. Andmete objektid muutusid suuremad, lubades rohkem transistoreid kiibile, mis omakorda lubas sõnade suurusel minna 4- ja 8-bitistest sõnadest tänapäevaste 64-bitiste sõnadeni. Täiendavad funktsioonid lisati protsessori ahitektuurile: rohkem kiibi peal olevaid registreid, mis kiirendas programme ja keerukaid juhiseid oli võimalik kasutada kompaktsemates programmides. Näiteks ujukoma aritmeetika polnud tihti võimalik 8-bitistel mikroprotsessoritel, aga neid pidi tarkvaras täitma. Ujukoma üksuse integratsiooniga, alguses kui eraldi mikrokiibina ja hiljem sama mikroprotsessori kiibi osana, kiirendas ujukoma arvutuste kiirust.

Vahetevahel oli bitide lõikumise lähenemine vajalik, mis olid tingitud mikropkiipide füüsilistest limiitidest. Selle asemel, et töödelda pikki sõnu ühes mikrokiibis, mitu kiipi töötlesid paralleelis iga andme sõna alamhulka. Vaja oli lisa loogikat, et töötada. Tulemuseks oli see, et süsteem sai näiteks 32-bitise sõnaga hakkama, kui igal mikrokiibil oli ainult 4 bitine maht.

Võimalusega lisada rohkem transistoreid ühele kiibile, muutub teostatavaks integreeritud mälu lisamisega protsessoriga samale kiibile. Selle protsessori vahemälul on eelisena kiirem juurdepääs, kui väljaspool kiipi paikneval mälul ja kiirendab süsteemi protesside kiirust paljudes rakendustes. Üldiselt protsessori kiirus on kasvanud kiiremalt kui välise mälu kiirus ja seega vahemälu on vajalik kui protsessorit ei taha aeglustada aeglasema välise mälu 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.