مقاله Microprocessor تحت word دارای 25 صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است
فایل ورد مقاله Microprocessor تحت word کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.
این پروژه توسط مرکز مرکز پروژه های دانشجویی آماده و تنظیم شده است
توجه : در صورت مشاهده بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله Microprocessor تحت word ،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد
بخشی از متن مقاله Microprocessor تحت word :
1- مقدمه ای بر ریزپرازنده
2- ساختار عمومی ریزپردازنده های پیشرفته
3- معماری ریزپردازنده؟
– مجموعه دستورالعمل های ریزپردازنده
– قالب داده ها
– قالب برای دستورالعمل ها
– شیوه های آدرس دهی
4- سلسله مراتب حافظه
– رجیستر فایل
– Cache
– حافظه مجازی و صفحه بندی
– قطعه بندی
– جداول صفحه، TBL، حفاظت
5- پایپ لاین
– خط لوله دستورالعمل
– مخابرات خط لوله
– پیشگویی انشعاب
– Bypassing یا Result Forwarding
6- (Instruction Level Parallelism) IPL
– ILP چیست؟
– محدودتی های ILP
– پردازنده های سوپر اسکالر
– اجرای ترتیبی و خارج از نوبت
– Register renaming
– پردازنده های VLIW
– تکنیک های کامپایل برای ILP
7- اصول کامپیوترهای RISC
– RISC در برابر CISC
– ارزیابی سیستم های RISK
– ارزیابی Cache در مقابل رجیستر فایل تراشه
8- I/O
– گذرگاه های I/O
– وقفه ها
– Memory Marred I/O
– DMA
– دستگاه های I/O
– سیستم های دیسک
9- چند پردازنده ای
– speedup و کارآیی
– سیستم های چند پردازنده ای
– سیستم های Message passing
– سیستم های Shared Memory
Case Study
حانواده اینتل
– معماری خانواده اینتل
– مجموعه ثبات:
– قالب های داده
– شیوه های آدرس دهی
– ئقفه
– قطعه بندی
– صفحه بندی
– مکانیزم حفاظت
– پنتیوم
– ریزپردازنده های i486 و i386
– 8086 و 80186 و 80286
– 8086 و 8088
خانواده موتورولا M68000
– ثبات های پردازنده
– قالب های داده
– شیوه های آدرس دهی
– مجموعه دستورالعمل ها
– مدیریت حافظه
ریزپردازنده های پیشرفته RISC
– پردازنده DEC Alpha AXP
– معماری آلفا
خانواده Power PC
– معماری Power PC
– IBM RS/6000
خانواده Sparc
– معماری اسپارک
– سوپر اسپارک
خانواده MIPS RX000
– معماری MIPS
– R4400 و MIPS R4000
– خانواده اینتل i86
خانواده موتورولا M88000
– معماری M88000
– معماری MC88110
معماری HP
– معماری
– حافظه
کتاب؟
1- MicroproGssors & Micro Computers
8086 & Z-80 , John Effenbeck
2- Advanced Computer Architecture , Hwang
3- Advanced Mocrocessor , Daniel Tabak.
مقدمه
در اواسط دهه 70 ریزپردازنده ها ساختار ساده ای داشتند و در این زمان هر ریزپردازنده از یک واحد پردازشگر مرکزی (cpu) و یک تراشه LSI (شامل 5/000 ترازیستور) تشکیل شده بود و با فرکانس 1 تا 5 مگاهرتز در یک سیستم 8 بیتی کار می کرد و این ریزپردازنده ها دارای 2 الی 7 ثبات 8 بیتی بودند. به خاطر قیمت و بهای اندک و اندازه کوچک ریزپردازنده ها، در بیشتر سیستم های کامپیوتری از آنها استفاده می شد و به جائی رسید که جایگزین سیستم های mainframe و میکروکامپیوترها شدند. با ظهور ریزپردازنده ها هر خانه ای دارای یک کامپیوتر دیجیتالی است.
از دهه 70 به بعد ریزپردازنده ها تغییرات زیادی کرده اند و در دهه 90 ریزپردازنده ها 32 بیتی تا 64 بیتی شدند. و با فرکانس هایی از 25 تا 200MHZ کار می کردند و عملاً دارای تراشه هایی با سه میلیون ترازیستور بودند (VISI). اکثر این ریزپردازنده ها قادر بودند بیشتر از یک دستورالعمل را در یک چرخه اجرا کنند. تمامی ریزپردازنده‌های پیشرفته دارای یک تراشه FPU هستند و اکثر آن ها دارای 16تا 32 ثبات همه منظوره در cpu و یک رجیستر فایل با 32 ثبات برای IU و یک رجیستر فایل با 32 ثبات جداگانه برای FPU هستند.
خیلی از ریزپردازنده ها برای عملیات شناور و عملیات صحیح دارای Operational Unit هستند و مقدار قابل توجهی Cache دارند. در اکثر آنها Cache شامل Cache داده و Cache دستورالعمل است . کارآیی ریزپردازنده های پیشرفته امروز مساوی یا بیشتر از Mainframe و یا سوپر کامپیوترهای دوران قبل می باشد.
تعداد زیادی کارخانه سازنده ریزپردازنده وجود دارد که دارای ویژگی های خاص خود می باشند و دو گروه از گسترده ترین خانواده ریزپردازنده که در دهه 70 ساخته شده اند عبارتند از اینتل X86 یا 80X86 و خانواده موتورولا M680X0.
نزدیک به دهه 80 ما شاهد یک توسعه موازی روی معماری های جدید بوده ایم که تمایل به کامپیوترهائی با مجموعه دستورالعمل کاهش یافته یا RISC بوده اند. خانواده های اینتل X86 و موتورولا M68000 از کلاس غیرRISK یعنی کامپیوترهایی با مجموعه دستورهای پیچیده یا CISC تشکیل شده اند.
اینتل، یک ریزپردازنده 4 بیتی به نام 4004 در سال 1971 شروع کرد که در یک ماشین حساب معمولی بکار میرفت، و به آسانی محاسبات BCD را انجام میداد. در سال 1972 ریزپردازنده 8 بیتی 8008 توسعه یافت و در سال 1974 یک ریزپردازنده قدرتمند 8 بیتی به نام 8080 تولد یافت و به
دنبال آن 8085 در سال 1976 به بازار آمد. بخشی از معماری 8085/8080 همانند مجموعه ثبات ها در خانواده X86 همچنان استفاده می شود. اینتل ساخت ریزپردازنده های خانواده X86 را با یک ریزپردازنده 16 بیتی به نام 8086 در 1978 آغاز کرد و عملاً تمامی کارخانه های معروف ریزپردازنده های 16 بیتی بعد از دهه 70 و تا نزدیک دهه 80 از یک تراشه ارزان قیمت و یک گذرگاه خارجی 8 بیتی با یک معماری داخلی 16 بیتی استفاده می کردند.
در سال 1969 ریزپردازنده 8080 با باس خارجی 8 بیتی و گذرگاه داخلی 16 بیتی ایجاد شد و برای گذرگاه داده خود 50% به تراشه های میانی کمتری در مقایسه با پردازنده های 16 بیتی نیاز
داشتند و هزینه آن ها نیز کمتر بود.
در واقع 8080 به پردازنده اصلی شرکت IBM روی کامپیوتر های شخصی (PC) تبدیل و در تمامی تولیدات بعدی در جهان منتشر گردید. به دنبال 8086، تکامل یافته آن یعنی 80186 ساخته شد که همان 8086 همراه با تعدادی اینترفیس I/O و واحدهای منطقی وی یک تراشه بود و تعداد کمی دستورالعمل به آن اضافه شده بود.
وقتی 80286 به عنوان یک ریزپردازنده 16 بیتی در سال 1982 شناخته شد، مرحله جدیدی در توسعه ریزپردازنده ها پدید آمد که قابلیت Protected mode نامیده شد. این شویه در تمامی
محصو.لات دیگر خانواده اینتل بکار گرفته شد.
اولین پردازنده 32 بیتی اینتل در سال 1985 بود که i386 نام داشا. اینتل یک پردازنده 32 بیتی به نام 432 که با خانواده X86 ناسازگار بود را زودتر از دهه 80 بیرون داده بود که هرگز تجاری نشد. در سال 1989 ریزپردازنده i486 توسعه یافت که سرعت عملکرد آن در مدل DX2 به 66MHZ میرسید. i486 دارای یک واحد FPU و یک Cache به اندازه 8KB در داخل تراشه است.
محصول بعدی خانواده اینتل پنتیوم بود که در سال 1993 ساخته شد و قبل از گسترش به آن i586، P5 گفته می شد اما اینتل تصمیم گرفت نام آن را ذپنتیوم بگذارد. پنتیوم یک سوپر اسکالر دو سطحی است یعنی دو دستورالعمل را موازی واکشی و کدگشایی و اجرا می کند و دارای گذرگاه داخلی 64 بیتی و یک cache به اندازه 16KB است (8K data cache + 8K inst.cache)
اینتل مرتباً روی محصولات بعدی کار می کرد و P6 نامیده شد که طبق وعده آن کارآیی پنتیوم را حد اقل 2 برابر کرد و پس از آن به ترتیب Pentium II، Pentium III و Pentium IV نیز ساخته شدند.
توسعه ریزپردازنده های موتورولا نیز شبیه اینتل است. موتورولا در سال 1974 خانواده 8 بیتی 6800 را ایجاد کرد که در سال 1977 به یک محصول 8 بیتی ویژه به نام 68096809 تبدیل شد. موتورولا ذنخستین ریزپردزنده 16 بیتی خود را در سال 1979 به نام M68000 به بازار عرضه کرد. از ویژگی های اسم خانواده M68000 آن است که ریزپردازنده MC68000 به طور پایه ای یک سیستم 16
بیتی با گذرگاه دارد. 16 بیتی و 16 ثبات پردازنده Gaps و شمارنده برنامه 32 بیتی است. در سال 1984 ریزپردازنده 32 بیتی MC60000 نامیده شد. هم چنین موتورولا روایت های توسعه یافته محصولات MC68000 را تحت عنوان MC68010 .و MC68012 ایجاد کرد. MC68010 از نظر پایه ها کاملاً با MC68000 سازگار بود بنابراین از نظر طراحی سیستم، یک MC68000 می توانست با یک MC68010 جایگزین شود.
موتورولا ساخت ریزپردازنده های 32 بیتی خانواده M68000 را در سال 1984 با نام MC68020 شروع کرد. این ریزپردازنده ها در سال 1978 به ریزپردازنده MC68030 و در سال 1989 به MC68040 توسعه پیدا کردند. 68020 دارای یک Cache دستور کوچک 256 بایتی در داخل تراشه بود. 68030 دارای یک حافظه Cache دستور کوچک 256 بایتی در داخل تراشه بود. 68030 دارای یک حافظه Cache دوگانه نسبتاً کوچک (256 data + 256 B inst.) .و 68040 دارای Cache 4KB دستور و Cache 4KB داده در یک تراشه می باشد.
عضو بعدی خانواده M68000 که در سال 1994 ساخته شد MC68060 نام گرفت که یک سوپر اسکالر 2 سطحی با Cache 8KB دستور و Cache داده در تراشه بود و دستورالعمل ها با سرعت 66MHZ کار می کرد.
البته چندین خانواده از ریزپردازنده ها وجود دارد که به آن ها اشاره اندکی خواهد شد. مانند Z-80 مربوط به شرکت Zilog که ریزپردازنده معر وف 8 بیتی است و توسط گروهی از طراحان متخصص اینتل که 8080 و 8085 را شاخته بودند ایجاد شد و از اینرو Z-80 شبیه معماری اینتل 8080 است ولی زبان اسمبلی هر دو متفاوت می باشد و Z-80 دارای دستورهای بیشتری نسبت به 8080 است. شرکت Zilog خانواده 16 بیتی خود را با نام Z8000 موازی با اینتل 8086 منتشر کرد و Z80000 یک محصول 32 بود که به تولید نرسید.
توسعه ریزپردازنده های RISC به شکل مو ازی با اینتل و موتورولا انجام شد. اولین مستندات RISK درز دانشگاه برکلی در سال 1980 توسط Pattersonو Ditzel ارایه شد و لغت RISK توسط کارلو اسکوئین لرپرت اولین مقاله RISK عنوان شد. طراحیس سیستم محاسباتی از نوع RISK بدون استفاده از واژه RISK خیلی پیشتر توسط IBM در دهه 70 آغاز شد که با نام IBM801 شناخته می شد. هم چنین دانشگاه استنفورد در سال 1981 سیستم RISK خود را ایجاد کرد و به نام MIPS (Microprocessor without interlocked Pipeline Stage) نامید.
شرکت MIPS روایت های تجاری را تحت خانواده RX000 (X=6,4,3,2,) منتشر ساخته است. در برخی از خصوصیات اولیه طرح RISK برکلی در Sparc از شرکت Sun Micri System به کار رفته است. شرکت اینتل خانواده خود را با نام ROMP (Research Office Product Diriscow MicroGssor) ادامه داد و به اپل ترکیب شد و Power PC ساخته گردید. اولین محصول 601 است که در 1991 منتشر شد و به دنبال آن 620 با توانائیهای بیشتری ایجاد گردید.
Intel 8086
در این فصل معماری داخلی، شیوه های آدرس دهی، مجموعه دستورالعمل ها و تکنیک های I/O مرتبط با ریزپردازنده 8086 را معرفی خواهیم کرد.
مقدمه
8086 اولین ریزپردازنده 16 بیتی اینتل بود. طراحی آن بر اساس 8080 ولی مستقیماً با آن سازگار نبود. 8086 با استفاده از فناوری HMOS طراحی شده بود و شامل 29000 ترانزیستور بود. 8086 در یک بسته 40 پایه ای قرار داشت و با منبع تغذیه +5V کار می کرد. 8086 در سه مد و سرعت مختلف Clock کار می کند. 8086 استاندارد با فرکانس کلاک داخلی 5MHZ و 8086-2 و 8086-4 با فرکانس های داخلی به ترتیب 4MHZ , 8 کار می کنند. به همین دلیل از یک مولد / دراپو.ر تراشه مثل Intel 8284 برای تولید سیگنال کلاک 8086 استفاده می شود. 8086 کلاک خارجی در پایه CLK را به 3 تقسیم می کند. این جمله به این معنی است که برای کلاک داخلی 5MHZ، 8284 باید کلاک خروجی 15MHZ را تولید کند تا به پایه CLK تراشه 8086 متصل شود.
8086 دارای آدرس 20 بیتی است و از اینرو می توان حداکثر تا 220 dh 1MB از حافظهرا آدرس دهی کند. 8086 از حافظه قطعه بندی شده استفاده می کند. نکته جال توجه در 8086 این است که می تواند حداکثر تا 6 بایت دستورالعمل را از حافظه پشی واکشی (Pre Fetch) کند و آن ها را به ترتیب به صف کند و بدین ترتیب سرعت اجرای دستورالعمل را بهبود بخشد.
حافظه ریزپردازنده دبر اساس 8086 برحسب بایت پیکره بندی می شود. هر بایت می تواند منحصراً با آدرس های 20 بیتی 0000016->FFFFF16 آدرس دهی شود. هر کلمه 16 بیتی 8086 شامل هر دو بایت مجاور یکدیگر است. بایت آدرس کمتر (L.O.B) و بایت آدرس بیشتر (H.O,B) به شکل زیر می باشند:
بایت با ارزش کمتر بایت با ارزش بیشتر
07H 26H
آدرس 0052016 آدرس 0052116
بنابراین کلمه 16 بیتی ذخیره شده در آدرس زوج 00520عبارت است از: 260716
اکنون کلمه ای را با آدرس فرد در نظر بگیرید:
L.O.B H.O.B
OSH 3FH
آدرس 0125716 آدرس 0125816
کلمه ذخیره شده در آدرس فرد 0125716 عباتست از 3FOSH
معماری 8086
شکل زیر نمودار بلکوکی معماری داخلی 8086 را نشان می دهد:
همانظوری که در شکل می بینیم، ریزپردازنده 8086 از نظر داخلی به دو بخش تابعی جدا تقسیم می شود. این دو بخش واحد واسط گذرگاه (BIU) و واحد اجرا (Eu) می باشند. واحد BIU دستورها را واکشی می کند، داده ها را از حافظه و پورت ها میخواند و داده ها را به حافظه و پورت های I/O می نویسد. Eu دستورهایی را که اخیراً توسط BIU واکشی شده اند را اجرا می کند.
وظایف واحدهای BIU و Eu از یکدیگر مستقل هستند. BIU پردازنده 8086 را به دنیای بیرون مرتبط می سازد. BIU تمامی عملیات گذرگاه خارجی را آماده می سازد. BIU شامل ثبات های سگمنت، اشاره گر به دستور (IP)، صف دستورالعمل و مدارهای کنترل گذرگاه و تولید آدرس می باشد و اعمالی چون واکشی و صف بندی دستورها و کنترل گذرگاه را انجام میدهد.
جهت دستور BIU به شکل FIFO است و گروهی از ثبات هایی است که شامل 6 بیات کد دستور واکشی شده از جافظه هستند. این امر با توجه به تسریع (Speedup)، اجرای برنامه را با
همپوشانی (Over latting) واکشی دستور با اجرا انجام میدهد. این مکامیزم را به عنوان پایپ اوین می شناسیم. چنانچه صف پر باشد و Eu برای دستیابی بحافظه درخواستی به BIU ندهد، BIU هیچ سیکل گذرگاهی را انجام نمی دهد. از طرف دیگر، اگر BIU پر نباشد و حداقل بتواند دو بایت را ذخیره سازد و Eu درخواستی را برای دستیابی بحافظه ندهد، BIU می تواند دستورالعمل ها را پیش واکشی کند. هرچند که اگر BIU برای دستیابی بحافظهع توسط Eu وقفه داده شود درحالیکه BIU در حال پردازش واکشی یک دستورالعمل باشد، BIU ابتدا واکشی را کامل می کند و سپس
به Eu سرویس می دهد. چنانچه دستوری مانند Jump یا Subroutine Call داشته باشیم، BIU صف را reset میکند و پر کردن مجدد را پس از ارسال دستور جدید به Eu از نو شروع خواهد کرد.
همانطوری که می بینیم BIU شامل یک جمع کننده اختصاصی است که برای تولید آدرس 20 بیتی استفاده می شود. منطق کنترل گذرگاه BIU تمامی سیگنال های کنترل گذرگاه همچون سیگنال های خواندن و نوشتن را برای حافظه و I/O تولید می کند.
BIU دارای چهار ثبات سگمنت 16 بیتی است. این ثبات عبارتند از:
• ثبات سگمنت کد (CS) (2 بایت) 28=256
• ثبات سگمنت داده (DS)
• ثبات سگمنت پشته (SS)
• ثبات فوق العاده (ES)
حافظه یک مابایتی 8086 به سگمنتهایی حداکثر تا 64KB تقسیم یمشود. 8086 می تواند مستقیماً چهار سگمنمت را در یک زمان ویژه (256 کیلوبایت در حافظه یک مگابایتی) آدرس دهی کند. برنامه ها دستیابی به کد و داده را در سگمنت ها با تغییر محتویات ثبات سگمنت برای اشاره کرن به سگمنت های مطلوب، فراهم می سازد. تمامی دستورالعمل های جافظه باید در حافظه اصلی ذخیره شوند که توسط ثبات 16 بیتی CS و افت 16 بیتی در سگمنتی که در اشاره گر دستور (IP) 16 بیتی گنجانده شده به آن ااشره می شود. BIU آدرس فیزیکی 20 بیتی داخلی را به
وسیله آدرس منطقی فراهم شده توسط برنامه نویس (16 بیت CS و 16 بیت IP) تولید می شود. این کار با شیفت منطقی چهار بیتی CS به چپ و افزودن محتوای 16 بیتی IP تولید می شود. به عبارت دیگر CS توسط BIU برای تولید آدرس فیزیکی 20 بیتی در 16 ضرب می شود. به این معنی که تمامی دستورالعمل های برنامه نسبت به محتوبات CS در 16 ضرب شده و سپس به آفت به دست آمده از 16 IP بیتی اضافه میشود.
دقت کمید که برای آدرس های کلمه، برنامه نویس از آدرس های مرتبه کمتر (زوج یا فرد) برای مشخص ساختن کلمهع 16 بیتی استفاده می کند.
8086 همیشه به یک کلمه 16 بیتی به . از حافظه دستیابی پیدا می کند. 8086 می تواند در صورتیکه اولین بایت کلمه در آدرس زوج واقع شده باشد، در یک عملیات کلمه 16 بیتی را بخواند. به عبارت دیگر اگر اولین بایت کلکه یک آدرس فرد باشد، 8086 باید دو دستیابی به حافظه را برای خواندن دو تا بیت متوالی از حافظه انجام دهد. در این حالت 8086 از بایت یا بایت هایی که مورد
نظرش نیست صرفنظر می کند. بطور مثال، دستو.ر ADDR و MOV BX را در نظر بگیرید. دقت کنید وجود X (H یا L) به دنبال ثبات 8086 نشان دهنده آن است که انتقال 16 بیتی یا 8 بیتی است.
این دسته محتوای مکان حافظه 20 بیتی آدرس دهی شده فیزیکی را که توسط ADDR آدرس دهی می شود به ثبات 16 بیتی BX منتقل می کند. اگر ADDR آدرس 20 بیتی زوج مثل 3002416 باشد دستور MOV محتوای BL را با محتوای خانه حافظه 3002416 و محتوی ثبات BH را با محتوی
آدرس 3002516 در یک بار دستیابی پر می کند. اما اگر از ADDR در آدرس فرد مثلاً 4000516 باشد، دستور فوق BL را با محتوای 4000516 در و BH را با محتوی 4000616 در دو بار دستیابی حافظه Load می کند. دقت کنید 8086 به آدرس 4000416 و 4000516 دستیابی می کند ولی محتوی 4000416 را کنار می گذارد و نیز در عمل دوم به 4000416 و 4000716 دستیابی می کند ولی محتوی 4000416 را کنار می گذارد و نیز در عمل دوم به 4000616 و 4000716 دستیابی می کند ولی از محتوای 4000716 چشم پوشی می کند.
اکنون دستوری مانند ADDR و MOV BH را در نظر بگیرید. اگر ادرس ADDR زوج (مثل50002) باشد، این دستور MOV به هر دو خانه 50002 و 50003 دستیابی می کند ولی BH را با محتوای 50002 پر کرده و از محتوی 50003 صرفنظر می کند. اما اگر ADDR در آدرس فرد باشد (مثل 5003) دستور MOV ثبات BH را با 50003 پر کرده و از 50002 صرفنظر می کند.
خانواده 8086 دارای دو نوع ریزپردازنده 16 بیتی است: 8086 و 8088 اختلاف مهم این است که پردازنده چگونه با دنیای بیرون ارتباط برقرار می کند. 8088 دارای یک مسیر داده (data patch) 8 بیتی به حافظه I/O است ولی 8086 دارای یک مسیر داده خارجی 16 بیتی در حافظه است. البته در بیشتر حالات این دو پردازنده مشابه هستند. از 8088 در طراحی کامپیوترهای شخصی IBM استفاده شده است.
8086 می تواند به شکل یک سستم تک پردازنده کوچک (می نیمم مد در صورتیکه پایه MN/MX به high تنظیم شود) و یا به شکل یک سیستم چند پردازنده ای (ماکزیمم مد در صوتیکه پایه MN/MX به low تنظیم شود) پیکره بندی می گردد. در یک سیستم مفروض، پایه MN/MX دائماً به high یا low متصل می شود. برخی پایه هخای 8086 دارای توابعی دوگانه بسته به نوع انتخاب سطح ولتاژ پایه MN/MX هستند. در مد می نیمم MN=MX=high این پایه ها سیگنال های کنترلی را مستقیماً
به حافظه و وسایل I/O انتقال می دهند. از مد ماکزیمم MN/MX=Low این پایه ها دارای وظایف متفاوتی برای نسهیلات سیستم های مالتی پروسسور است. در مد ماکزیمم توابع کنترلی که معمولاُ در مد می نیمم نشان داده می شوند، فرض می شود که به وسیله تراشه ای مثل کنترل گذرگاه 8288 پشتیبانی می شوند.
کلمات کلیدی :
