3.5.2. Mikroprocesor - sabirnice

Procesor, bolje reći mikroprocesor - izveden u obliku jednog samostalnog integriranog sklopa, srce je PC računalnog sustava i prema broju vodova podatkovne sabirnice određuje se klasa PC sustava. Procesori tipa 80286 imaju 16 bit-nu (16 vodova) podatkovnu sabirnicu, procesori tipa 80386 i 80486 (5x86) imaju 32 bit-nu podatkovnu sabirnicu, a procesori tipa Intel PENTIUM (6x86) imaju 64 bit-nu podatkovnu sabirnicu. Ovu porodicu procesora dizajnirala je firma Intel, a njima kompatibilne procesore proizvodi više proizvođača, kao AMD naprimjer, tehnologije izrade su različite ali je skup uporabljenih instrukcija isti. Općenito se za njih kaže kaže da pripadaju x86 porodici procesora. Brzinu rada procesora određuje generator takta kojemu frekvencija (takt-CLOCK) ovisi o mogućnostima samog procesora. U pravilu na raspolaganju je izbor standardnog radnog takta i uvišestručenog (TURBO). Uvišestručenim taktom radi samo mikroprocesor, a periferije zbog svoje sporosti i dalje rade manjim taktom.

U današnjim verzijama mikroprocesora turbo mod više se ne definira. O usuglašavanju različitog radnog takta raznih uređaja PC-a automatski brine 'ChipSet'. U osnovi na najvišem taktu radi jezgra procesora. Kako u postupku proizvodnje svi procesori iste vrste (isti wafer) u konačnici nemaju iste parametre, osobito što se tiče radne frekvencije jezgre, zaključava im se množitelj osnovne radne frekvencije nakon utvrđivanja najviše radne frekvencije pri kojoj zadovoljavaju deklarirane parametre, te se prema potencijalnim kupcima prikazuju prema mogućnostima brzine rada jezgre i naravno različito naplaćuju. Frekvencija jezgre procesora udarni je marketinški podatak.

Uz mikroprocesor serije 80x86 može se pridodati matematički koprocesor (oznake 80x87) koji procesoru potpomaže u računskim operacijama s pomičnom točkom, a koji je u većini verzija procesora tipa 80486 i moćnijima ukomponiran u zajedničko kućište s mikroprocesorom. Mikroprocesor se u računalo postavlja u utor, ležište, odnosno priključni mehanizam na matičnoj ploči koji se uobičajeno naziva SOCKET, te se na temelju njegove oznake zna koje mikroprocesore može prihvatiti (socket 370, socket 470, socket 775 i drugi). Mikroprocesori su tijekom razvoja zbog različitog broja priključaka koristili različite izvedbe socket-a, a nerijetko oblik se je mijenjao da se onemogući ugradnja proizvoda konkurencije.

Koprocesor radi paralelno s mikroprocesorom i može preko njemu usmjerenih instrukcija izvršiti vrlo moćne operacije s pokretnom decimalnom točkom. Kada xxx86 dobije instrukciju za rad s pokretnom točkom, šalje neophodne parametre i memorijsku adresu operanda koprocesoru te odlazi na izvršavanje druge zadaće. xxx87 uzima podatke, izvršava zadanu mu instrukciju, obavlja račun i izvještava mikroprocesor o izvršenom te ovaj preko podatkovne sabirnice preuzima rezultat.

Pojedine vrste programske potpore (kao ACAD) ne mogu raditi ako koprocesor nije ugrađen ili emuliran (programska simulacija rada koprocesora).

Mikroprocesor ima tri grupe izvoda i to:

             I.) Sabirnicu podataka - 16 bit-a (D0-D15)
            II.) Adresnu sabirnicu -- 24 bit-a (A0-A23)
           III.) Upravljačke izvode (kontrola, komande i sinkronizacija)

Sklopovski, mikroprocesor sadrži:

             1.) Registre (privremene memorije) za čuvanje podataka (R)
             2.) Aritmetičko logički ustroj (ALU)
             3.) Sklopovi za odjeljivanje sabirnica (buffer-i)
             4.) Upravljački i instrukcijski ustroj (IU)
             5.) Koprocesorski ustroj (u većini verzija xx486 i moćnijima)
             6.) Dodatne interne brze memorije (u verzijama nad xx386)

Na narednoj slici je prikazana načelna blok shema dva vrlo raširena koncepta mikroprocesora.

Slika* 3.5.3 Arhitektura xx486 i Intel PENTIUM mikroprocesora. ( + / - )

Mikroprocesor tipa Intel PENTIUM, glede povećanja performansi, uz navedeno ima odvojenu instrukcijsku i podatkovnu internu memoriju (cache), te dvije ALU i sklopove za moguća grananja glede budućeg razvoja PC sustava. Jednostavnije instrukcije Pentium će izvesti po dvije istovremeno s oba ALU, a za složenije V-ALU je ispomoć U-ALU. Osim toga matematički koprocesor FPU (Floating Point Unit) moćniji je u odnosu na xx486 procesor.

Sabirnice mikroprocesora su putem elektroničkih sklopova veze (latch), koji upravljaju i kontroliraju protok podataka, povezane za sabirnicu sustava PC računala. Pristupima sabirnici sustava upravlja upravljač (controller) sabirnica koji daje komandne, upravljačke i kontrolne signale na izlazu.

Komandni signali određuju pristup memoriji od strane uređaja s osnovne ploče ili U / I (I / O) uređaja za ulaz/izlaz podataka (input/output), priznavanje zahtijeva za prekid od strane upravljača prekida (interrupt controller). Kontrolni i upravljački signali upravljaju sklopovima za povezivanje sabirnica mikroprocesora i sustava, te vezu s U / I kanalima, te smjerom prijenosa podataka npr. u ili iz mikroprocesora.

Sabirnica sustava, za razliku od mikroprocesorske sabirnice, u ranijim rješenjima (XT) izmjenično je služila za prijenos adresnih i podatkovnih bit-ova, dok sada sabirnice sustava imaju odvojene te funkcije.

Da bi se ostvarila komunikacija prema periferijama sabirnica sustava povezuje se s U / I sabirnicom koja uz sabirnicu sustava sadrži i 'sabirnicu prekida', veze uzemljenja i izvora napajanja (GND, +5, +12, -5 i -12) i kontrolne i upravljačke izvode i realizira se u vidu višekontaktnih utora s priključcima (slot-ovi) u koji se umeću tiskane kartice sa sklopovima (periferije) raznolike namijene.

Kako različite vrste periferija ne trebaju isti skup signala s U / I sabirnice, U / I upravljač ne realizira se kao jedan upravljač na matičnoj ploči već svaka od periferija (kartica) treba da ima svoj upravljač, dok je sama U / I sabirnica odvojena od sustavne sklopovima za kontrolu i upravljanje pristupa sabirnici koje nadgleda mikroprocesor. Prema broju mogućih fizičkih prekida ovisi i najveći broj slot-ova. Uobičajene U / I sabirnice AT računala su ISA (poznata kao AT bus) i EISA. Kontakti utora (pinout) U / I priključka ISA sabirnice AT računala prikazani su na slici 3.5.4.

Slika 3.5.4 Kontakti utora ISA sabirnice.

ISA sabirnica sastoji se od dva utora, od kojih utori A/B pripadaju XT konfiguraciji (8088), a D/C utori AT konfiguraciji (80286), kako je prikazano na slici. Utori su smješteni u nizu jedan iza drugoga. Isto podnožje ali s multipleksom signala na nožicama koristi se za prijenos 32 bit-nih podataka pod nazivom EISA sabirnica, ali nije jako raširena. Pin-ovi A1 i B1 su prema stražnjem rubu matične ploče, a na pin-ove B31 i A31 nastavljaju se nakon mehaničke pregrade pin-ovi C1 i D1 te ostali do C18 i D18, što se najbolje vidi na slici 3.5.7.

Osim navedenih, radi poboljšanja grafičkih mogućnosti računala uvedena je dodatna sabirnica, u odnosu na ISA sabirnicu šira i brža lokalna sabirnica VLB, koja povezuje mikroprocesor i radnu memoriju i dozvoljava uporabu do tri periferije kao grafička kartica i upravljač diska, a ostale sporije periferije vežu se preko ISA sabirnice. VLB sabirnica (32 bit-a) se nastavlja na ISA utore kao dopuna ISA sabirnici.

Bolje rješenje je PCI sabirnica (32 ili 64 bit-a, ovisno o vrsti procesora), samostalna brza sabirnica sustava kojoj se pridodaju ISA ili EISA sabirnicu za spore periferije. Po osobinama srodna EISA sabirnici je MCA sabirnica IBM PC računala, koja se nije mogla koristiti kod IBM PC kompatibilnih računala zbog IBM-ove autorske zaštite. Tvrdoglavost je IBM koštala ustanovljavanjem otvorenog (besplatnog) VLB proširenja i gubitka dijela tržišta.

Slika 3.5.5 Različite konfiguracije PC računala prema sabirnici.

Rješenje VLB + ISA(EISA) primjenjuje se najčešće kod xx486 konfiguracija, ali sve manje u odnosu na opće prihvaćenu PCI + ISA(EISA) u verziji za xx486 i PENTIUM konfiguracije. VLB je sabirnica kao nadopuna ISA sabirnici i koristi dio njezinih vodova ne može se implementirati samostalno u matičnu ploču. Osim toga broj slot-ova je ograničen jer ne koristi nikakvu dodatnu kontrolnu i upravljačku elektroniku nužnu pri većim brzinama rada. Stoga je jeftinija od PCI sabirnice koja djeluje kao samostalna sabirnica povezana s jedne strane s mikroprocesorom i brzim periferijama, a s druge strane sklopom za povezivanje (bridge) sa sporijom ISA(EISA) ili MCA sabirnicom. Zbog svojih ograničenja VLB sabirnica pojavom PCI sabirnice nestala je i u suštini se više ne primjenjuje.

PCI sabirnica tehnološki je višestruko usavršavana u svojoj 32 bit-noj varijanti, a u svojoj 64 bit-noj varijanti, poznatijoj kao PCI-X sabirnica, poprilično zastupljena u poslužiteljima. Trenutno se u radnim stanicama i poslužiteljima sve više koristi vrlo brza PCI-Express sabirnica, tehnološki značajno napredniji nasljednik PCI sabirnice.

Primjer I

Tijekom godina arhitektura mikroprocesora i sabirnica više puta se je drastično mijenjala. Naredna tablica ilustrira promjene koje su slijedile uz ISA, AGP, PCI i PCI-Express (PCI-E) arhitekturu sabirnica iskazane kroz radnu frekvenciju mikroprocesora i sabirnica u MHz.

Tablica 3.5.6 Brzine pojedinih komponenti u sustavu za različite arhitekture.

U tablici su prikazane približne vrijednosti. Frekvencije sabirnice i radne memorije su višekratnici radne frekvencije PCI sabirnice, a frekvencija ISA sabirnice je 4 puta manja od radne frekvencije PCI sabirnice. Kako se sustav konfigurira prema brzini ugrađenog procesora optimalno rješenje dobiti će se ugradnjom procesora kojemu je radni takt višekratnik broja 33. Odnosi između pojedinih radnih frekvencija određuju se premosnicima na matičnoj ploči ili postavljanjem parametara u SETUP (BIOS) izborniku računala. Prazna mjesta u pojedinim stupcima ilustriraju kad su uvođenjem pojedinih tehnologija nestajale iz uporabe zastarjele tehnologije.

Radna frekvencija sabirnice nije jedino mjerilo učinkovitosti. Sama izvedba prijenosa podataka (način signalizacije, protokol) utječe na propusnost tako da se za PCI kreće od 133 MB/s do preko 1000 MB/s. Kod PCI-E propusnost ovisi o broju uporabljenih koridora (do 32) i iznosi 250 MB/s po koridoru. Novije revizije PCI-E sabirnice omogućavaju još veću propusnu moć. Pojedine matične ploče dozvoljavaju promijene postavki u BIOS-u te povećanje radne frekvencije sabirnice u uskim granicama, što se sa stanovišta stabilnosti rada računala i trajnosti matične ploče ne preporučuje (overclocking). U najvećoj mjeri na propusnost utjeće način signalizacije i priprave signala za prijenos, koji je različit za npr. PCI-E v1.0, v2.0 i v3.0.

Pojedini proizvođači navode drugačije oznake (kao Cyrix 6x86 166+ procesor koji u stvarnosti radi na 133 MHz) koje u suštini ne obilježavaju stvarni radni takt procesora već pripadnost klasi procesora u odnosu na INTEL Pentium procesore. Stoga je prilikom izbora i konfiguriranja sustava potrebito podrobno proučiti tehničke specifikacije pojedinih komponenti koje se žele ugraditi. Sličnu politiku obilježavanja ima i AMD (Athlon 64 2800+ radi na frekvenciji od 1800 MHz).

Primjer II

Raspored svih mogućih utora vezanih za sabirnice sustava računala u odnosu na stražnji rub matične ploče. Udaljenost utora od stražnjeg ruba ploče i međusobni razmještaj utora strogo su standardizirani.

Slika 3.5.7 Shema povezivanja sklopova s U / I sabirnicom preko utora.

Naravno, ne postoji matična ploča sa svim navedenim utorima, osobito suvremene koje nemaju VLB priključak ni AGP port. Prethodna slika samo je ilustracija mogućih priključaka. RAID priključak nije ništa drugo do proširena standardna PCI sabirnica, odnosno PCI-X. U doba uvođenja PCI sabirnice, njeni utori približeni su ISA utoru, tako da su PCI i ISA kartice imale limeni nosač sučelja s konektorima na suprotnim stranama te je osigurano da ne dođe do umetanja PCI kartice u ISA utor. PCI-Express (x1, x16) utori imaju istu orijentaciju limenog nosača kao AGP i standardni PCI utori, ali im je udaljenost od ruba matične ploče (vrh slike) različita. Osim navedenog svaka vrsta utora ima fizičku 'pregradu' na različitim mjestima tako da i to osigurava da se kartica ne postavi u krivi utor. Posebno pažnju treba obratiti na AGP utor koji je u više faza razvoja AGP standarda (1x, 2x, 4x, 8x) imao različite osobine te su 'pregrade' bile na različitim mjestima i ponegdje dvije. Sve navedeno osmišljeno je da netko ne bi probao da stavi, na primjer, AGP 1x karticu u AGP 8x utor. Proizvođači su mislili upravo i na takve korisnike.

Brzina sabirnice od velikog je značaja za ukupne performanse PC sustava. Brzina izmjene podataka ne može biti veća od brzine sklopova sabirnice. Dok se podaci prenose preko sabirnice mikroprocesor zbog bržeg internog takta može obaviti još poneku korisnu zadaću. Glede raznolikosti u taktovima procesora i sabirnice od velikog je značaja brza priručna memorija (cache), koja se dijelom integrira u kućište samog mikroprocesora (razina L1 priručne memorije) a dijelom je u sastavu osnovne ploče (razina L2 priručne memorije) i moguće joj je po volji dimenzionirati kapacitet. Odvajanje sabirnice od mikroprocesora glede različitih brzina rada pojedinih obavlja upravljač sabirnice. Pojedine moćnije vrste mikroprocesora imaju L1 i L2 priručnu memoriju ukomponiranu u samo njegovo kućište, a izvana je L3 priručna memorija, naravno sve u svrhu povećanja količine i brzine obrade podataka. L1, L2 su SRAM tipa (Static Random Access Memory), kao bi se osigurala veća brzina, a L3 može biti i DRAM i SRAM tipa. Najnovija generacija mikroprocesora s pridodanim video mogućnostima ima ugrađenu L3 priručnu memoriju u zajedničko kućište, koji ima i zadaći da djeluje kao sabirnica između CPU i GPU.

Tehnologija velikim koracima grabi naprijed i treba li išta znati o ISA sabirnici? Treba, jer specijalizirani proizvođači matičnih ploča izrađuju moderne namjenske matične ploče koje imaju ugrađeno nekoliko ISA slot-ova da bi se podržale kartice na primjer jednog već 'zastarjelog' ali vrlo skupog mjernog instrumenta. Matična ploča je u odnosu na uobičajene višestruko skuplja, ali u odnosu na cijenu mjernog instrumenta to je zaista prava sitnica.