微处理机简介PPT课件

-,1,單元1微處理機簡介,-,2,微處理機的起源,1969年大型積體(LSI;LargeScaleIntegration)電路製造成功，將電腦的CPU利用半導體技術集中，使得原來需要2030個IC的裝置減少到僅須34個。許多電子工程師、製造商，就開始思考一個問題：如何能夠改變電算機系統中的一小部份，整個系統功能就得以改變或改善。，微處理機(Microprocessor)基本雛型的構思。,-,3,電腦與微處理機,電腦系統的中央處理單元(CentralProcessingUnit，簡稱CPU)包括了算術、邏輯和控制、暫存器等電路，現今微電腦系統中均由一只晶片整合在一起，俗稱為微處理器(Microprocessor，縮寫成P)或稱為微處理單元(Micro-ProcessingUnit，簡稱MPU)，,-,4,微處理機內部架構,微處理機相當是微電腦的CPU，即具有資料處理與計算能力的數位積體電路(LSI或VLSI)。微處理機內部結構包括算術邏輯運算單元(ALU)，暫存器(Register)，控制單元(CU)，內部匯流排(InternalBUS)。,-,5,微處理機運作,微處理的基本運作包括提取指令(Fetch)，解碼並選擇線路予與執行(Execute)，即Fetch-and-executecycle。微處理機無法單獨執行工作，必須配備記憶體，輸出入埠，電源，與相關的週邊界面等，才具有完整工作能力。,-,6,微電腦系統架構,-,7,4004微處理機,4004是一只包含4位元並行加法器(ParallelAdder)、累積器(Accumulator簡稱Acc)、堆疊器(Stack)、還有16個4位元的暫存器(Register)的中央處理器，隨著IC外部提供的指令碼，4004可以做出算術、邏輯等運算，所有運算的程序及數據都可由寫在記憶體中的程式來支配。MCS-4不但降低了成本，也大幅改善了一個數位邏輯電路的用途性，成為史上第一台微電腦系統，而Intel4004就成了史上第一只微處理機(Microprocessor)。,-,8,8位元微處理機的興起-1,1969年末，美國專門製造智慧型終端機Datapoint公司企圖完成一項突破，工程師設計一個非常基礎的中央處理單元，分別與Intel公司及德州儀器公司簽約，希望將此電路製作在單一的晶片上，Intel公司自行研究改良後，於1972年4月公開應市，宣佈為Intel8008微處理機。,-,9,8位元微處理機的興起-2,Intel於1974年推出了強化版本的微處理機8080，工作速度為2MHz，具備7組8位元暫存器，64K的記憶定址空間，加以寬廣的指令集，立即吸引住業界的注意，1975年MITS公司就以8080此款晶片推出8800的微電腦，搭配知名的CP/M作業系統及微軟公司的BASIC語言編譯器，在沒有競爭對手下曾經轟動一時，也造就了軟體巨人微軟公司的成長。,-,10,8位元微處理機的興起-3,1975年是微處理機的戰國時代，首先由Motorola公司推出了八位元的6800，MOSTechnology公司又推出知名的6502晶片，SteveJobs與SteveWoznick在車庫中完成了AppleII微電腦，風行一時的任天堂電視遊樂器也在此時誕生。Inte推出8085Zilog公司也推出了一款可以與8080相容，但是更強悍的Z80微處理機，一時之間市場上八位元處理機可說是百家爭鳴，微電腦對於各種微處理機能夠相容的設計也在此時展開。,-,11,16位元微處理機的興起1,Intel於1978年推出16位元的8086微處理機，它的資料匯流排與內部暫存器都是16位元，最大記憶定址空間為1024KB(1MB)工作頻率可分為4.77MHz、8MHz、10MHz三種，當時的微電腦介面組件都還是8位元，為了降低微電腦廠商的生產成本，Intel隨後推出內部為16位元，外部為8位元匯流排的8088微處理機，這樣一來就可搭配8位元的周邊，卻可以執行16位元的軟體，IBM搶攻個人電腦市場的第一代電腦(IBMPC/XT)就是以8088為CPU。,-,12,16位元微處理機的興起2,1980年微電腦進入家庭已成風潮，除了8086/8088之外，還有由NEC公司推出可以與8086/8088相容的V20。而Motorola推出68000是一只內部32位元，外部16位元的微處理機，雖然不能與8086/8088相容，但工作起跳頻率為8MHz，記憶體定址空間可至16MB，被當時的Apple公司採用作為第一代麥金塔(Macintosh)電腦的CPU，形成微電腦市場的另一主流。由於68000的競爭，Intel隨後改善了8086/8088的執行速度，增加若干指令之後推出了80186/80188，但是與IBMPC周邊所用到一只IC-8259中斷控制器產生不能匹配的問題，而在個人電腦市場上流產。,-,13,16位元微處理機的興起3,Intel於1982年推出80286是一只道地的16位元微處理器，工作頻率為625MHz是8086/8088的三倍，並採以大型電腦CPU的功能為設計目標，包括多工切換、記憶體分段保護、可在虛擬記憶體執行等功能。80286的定址空間為16MB，為了能夠執行8086/8088的程式，將工作模式分為真實與保護兩種模式，在真實模式下可以執行8086/8088的程式，此時僅可掌控1MB的記憶體，而在保護模式下可以控制16MB的記憶體。,-,14,16位元微處理機的興起4,IBM以80286生產的PCAT可以搭配Windows、OS/2、Xenix等作業系統，在市場上造成熱賣，為了確保286的供應無慮，IBM與Intel簽定第二貨源的協定，因此在Intel與其他廠商技術交流及授權下，可以生產286相容的廠商包括了AMD、Simens與Harris。1983年Motorola在市場佔有率不如Intel的情勢之下，推出了68010微處理機，加入虛擬記憶體的功能，可允許較大的程式在較小的記憶體中執行，並陸續提升工作頻率從12.5、20、25至33MHz，以及用68881浮點運算器協助68010的算術運算，持續的與Intel展開微處理機的爭霸戰。,-,15,32位元微處理機的興起1,CPU競賽的兩個關鍵不是速度就是處理字組的位元數，因此Motorola於1984年趕在Intel之前發表了32位元的微處理機68020，無論位址匯流排、資料匯流排都是32位元的，使得記憶體擴充能力高達4GB，CPU內建256bytes的CacheRAM加速程式的執行，在當時也是首創。除了Apple的Macintosh持續使用68系列的CPU，開始有更多的廠商以68020設計電腦及工作站。,-,16,32位元微處理機的興起1,Intel於1985年公佈80386上市，分為386SX、386SL、386DX三種，386SX是386的縮簡型，內部資料匯流排雖然有32位元，但接出腳只有16位元，而位址匯流排內部也是32位元但接腳只有24，因此記憶體擴充能力為16MB；386SL是特別為省電型筆記型電腦設計的與386SX功能相似，但多一條位址接腳可定址32MB的記憶體；386DX是386的完整版，內外皆為32位元與68020是同等級的CPU，記憶體擴充能力同樣為4GB，但工作頻率可從16Mhz起跳至40MHz，採用64128K的外部快取(cache)記憶體設計，率先使用管線式解碼執行架構，大型電腦才有的記憶體分頁機制(PagingMechanism)，這種記憶體管理單元可以使386DX在保護模式與真實模式中切換。新增的虛擬86模式(V86MODE)下可以將記憶體分成數個1MB去同時執行數個8086的程式而不錯亂。,-,17,32位元微處理機的興起1,第一家採用386生產電腦的廠商是COMPAQ，稍後跟進的是我國的宏碁電腦，IBM因顧及自家大型電腦的業務，不敢貿然以32位元CPU設計功能強大的個人電腦，而失去市場先機。在80486出廠之前，尚有Motorola的68030及68040陸續發表，這兩款為處理機都還是32位元的，68040的架構是非常接近80486的，但在量產能力無法擴大之下，最後還是在市場敗下陣來，唯一情有獨鍾的還是AppleMacintosh。,-,18,RISC與CISC之爭-1,Intel於1989年推出兩款微處理機，一為64位元精簡指令集(RISC，見4.1-2節)的80860，另一款則為32位元複雜指令集(CISC)的80486。Intel本來將80860定位為486電腦的運算輔助器，後來因應SunSPARC、MIPSR2000以及Motorola88000系列RISC等微處理機的競爭，又將80860定位為高階工作站的CPU，微軟公司曾經因此還推出過860版本的WindowsNT，可惜這些RISC架構的CPU，一樣面臨與86架構不相容，初期價格過高的影響，應用軟體不足的窘境，使得系統廠商興趣缺缺，到後來全部淪為特別用途的工作站，或者是周邊設備的微處理器，例如HP雷射印表機就使用了80860以及它的後續版本80960。,-,19,RISC與CISC之爭-2,80486以CISC架構完成，目的是為了配合8/16/32等CPU傳統的指令集，內建8KBCache快取記憶體、快取控制器與浮點運算單元(FPU)，這些硬體架構在386時都是需要額外的晶片來配合的。486初期推出486-25、486DX-33，隨後又推出低價位的486SX-20、25，差異僅在於廢除內部的浮點運算器。486DX系列上市不久，Intel很快的又公佈了486DX2倍頻系列，將CPU的工作頻率提升了兩倍，也就是CPU外部匯流排時脈為25MHz、33MHz時，CPU內部可以到達50MHz、66MHz，此款CPU就以486DX2-33及486DX2-66命名，倍頻工作的DX2系列CPU，雖然外面記憶體工作較慢，但可以由內建快取記憶體來弭補，在倍頻CPU工作下可以提升7075%的效能。,-,20,邁向超存量與平行處理-1,486推出四年後，也就是1993年Intel不再以86命名新的CPU，Pentium即是繼486之後的第一只64位元CPU，雖然內部暫存器仍然為32位元，但資料匯流排增加至64位元以加速對外存取的速度，時脈頻率增至60、66MHz之外，還有許多提升效能的設計，包含RISC設計、具有兩個整數運算單元、一個高效能的管線化浮點運算器、內建16KB(程式與資料分開各8KB)的快取記憶體，是一種超純量的架構，因此Pentium最快可以在一週期內，執行兩道一般指令或兩個整數運算指令，或者一個整數及一個浮點運算指令，在當時可說是經典之作，故當年六月榮登美國財經雜誌的封面。,-,21,邁向超存量與平行處理-2,1994至1996年間第二代的Pentium處理器，核心電壓縮減為3.3V(前一代為5V)，以求降低消耗改善散熱的問題，可同時由兩只Pentium處理器配合多處理器作業系統(例如WindowsNT)，工作於高效能的平行處理模式。在此同時，其他廠牌相同位階的產品包括了Cyrix6X86以及AMD的5K86(K5)，若以工作頻率比較性能，雖與同等級的Pentium差異不大，甚至也有超越的產品，但終究還是抵不住Pentium的強勢而淪落零售市場。在Motorola方面也推出類似SuperScalar架構的68060，而且省電方面表現良好，但這回連Macintosh也沒採用，促使Motorola轉向與IBM及Apple合作開發PowerPC，繼續與Intel競爭。,-,22,第六代的X86與多媒體時代-1,1995年的PentiumPro150/166/180/200可說是第六代的X86，核心技術包括了(1)三線道的超存量解碼執行設計，可將三道傳統X86的指令轉譯成14個微指令，分配到五個執行單元去執行、(2)加大推測執行與非循序執行所需分歧預測點緩衝區、(3)暫存器動態命名、(4)內建二階層的快取記憶體(L2Cache)。整個架構在32位元作業系統下達到最佳效能，但對於純16位元的環境下反而變慢，所以WindowsNT才是PentiumPro最佳平台。,-,23,第六代的X86與多媒體時代-2,Intel自386CPU開發以來，X86指令即就不曾大幅增加過，但在1997年1月發表的PentiumMMX卻增加了57組MMX指令，若將程式以MMX指令改寫，可大幅提升音波合成與繪圖輸出的執行速度，正式面對多媒體時代的需求。AMDK6是能與PentiumMMX100%相容的CPU，K6具有四組X86解碼器，一個週期可以擷取23個X86指令，分割成六個RISC86的微指令去執行，內建64K的一階快取，資料與程式各為32K，是PentiumMMX的兩倍，在增加分歧預測率以及減少快取失誤方面為設計的重點，其卓越的性能成為1997風雲產品。繼AMDK6之後，1998年Cyrix亦推出與PentiumMMX100%相容的686MX，後更名為MII，設計路線與AMDK6相似。,-,24,價格與性能的競爭,1997年之後微處理機的發展，不再一味追求性能的改善，製造商希望能有低價位的產品符合一般使用者的需求，於是Intel於1997年的5月首先推出將CPU與L2快取晶片分開包裝的PentiumII，以求減少IC生產時的失敗率來降低成本，在1998年4月推出了沒有L2快取晶片的Celeron，這種產品雖然價位雖低，性能卻不能與其它廠商的低價位相比，因此IDT、AMD等公司有了一次搶攻市場的機會，例如IDT的WinChipC6可以完全與PentiumMMX指令集相容，在耗電量與較低表面溫度的優勢下，很容易將筆記型電腦升級。AMD的K6-2(1998年5月)更是來勢洶洶，以優越的3DNow!技術改善3D繪圖指令運算速度，獨立兩個可以平行處理的MMX處理單元也優於PentiumMMX處理器。由於Pentium系列的微處理機採用獨家的插槽SLOT1、SLOT2，而AMD採用Super7，從此市場區隔更為明顯。,-,25,速度突破GHz的年代,AMD在1997年推出的K6最高工作頻率為300MHz，1998年陸續推出K6-2/333MHz、-550MHz。Intel在1997年5月推出的PentiumII是233MHz，到了1998年的最高等級PentiumII/450，AMD於1999年發表工作頻率為600MHz的Athlon(K7)，2000年3月6日發表1GHz的Athlon(K75)，同年的8月14日發表的Athlon(Thunderbird)已是1.1GHz。Intel不甘勢弱在1999年6月發表600MHz的PentiumIII，2000年3月也推出1G的PentiumIII，並於7月趕在AMD之前發表了1.133GHz的PentiumIII，也正因為Intel的操之過急，導致PentiumIII在散熱不佳的情況下，執行某些版本的Linux作業系統發生了當機現象，,-,26,新架構的出現,從1995年以來微處理機的架構都沿用PentiumPro(P6)加以改良，但2000年Intel的Pentium4與AMD的K8卻有較大的突破。Intel方面包括有：(1)將管線由P6的10階提昇至20階。(2)算數邏輯單元可在時脈正、負緣均產生結果，稱為雙倍頻算數邏輯單元（DoublePumpedALU）架構。(3)微碼追蹤快取(TraceCache)架構，可以節省重複指令的解碼時間。(4)四泵浦匯流排(QuadPumpedBus)架構，其資料匯流排介面可在同一時脈內同時傳輸四筆64位元的資料，在匯流排