Prosessorit ja emolevyt - Luento 2

Emolevyt
- Väylät
Prosessorit
- Prosessoriperheet
- Nopeus
Prosessorin rakenteesta
Prosessorin sisäinen toiminta
- Käskykanta
Taulukoita ja kaavioita
Tiivistelmä

Emolevyt

Kuvia
Slot-1 emolevy
Socket-emo
Laajennuskortteja
Emolevyn osat selitteillä

Emolevy toimii koko järjestelmän "kapellimestarina". Tietokoneessa kaikki osat liittyvät emolevyyn tavalla tai toisella.

Emolevyn osat:

Prosessorikanta. Jokaisella prosessorityypillä on tietynlainen liitäntäkanta (Socket 1 - 8, Super Socket 7, Slot 1, Slot 2, Slot A).
Prosessorin ulkoinen välimuisti (Level 2/3 (Secondary) cache)
Liitännät
- kovalevylle
- cd-rom-asemalle
- levykeasemalle
- muille lisälaitteille (sarja-, rinnakkais-, näppäimistö- ja usb-liitäntä)
Paikat muistikammoille
Virtaliitin
Piirisarja: Intelin tai jonkun muun valmistama. Määrää emolevyn pääominaisuudet
Prosessorin kellotaajuus riippuu emolevyn asetuksista
Emolevyn koko ja muoto: ATX tai Baby AT

Väylät

Kaavakuva KT333-piirisarjasta

Väylän leveys (bittiä) ja kellotaajuus (MHz) määrittävät väylän nopeuden

16-bittiä leveä väylä, jonka kellotaajuus on 60 MHz:

32-bittiä leveä väylä, jonka kellotaajuus on 100 MHz:

Sisäinen väylä hoitaa prosessorin sisällä tapahtuvan tietoliikenteen
Osoiteväylä määrää kuinka paljon muistia prosessori pystyy maksimissaan osoittamaan ("näkemään")
Muistiväylä (ulkoinen väylä), jonka kellotaajuus ja leveys määräävät kuinka nopeasti prosessori keskustelee muistin kanssa.
Liitäntä-/oheislaiteväylät liittävät erinäisiä laitteita emolevyyn, kuten esimerkiksi kovalevyn, näytönohjaimen ja tulostimen. Väyliä ovat mm. AGP, PCI ja IDE.

Prosessorin kellotaajuus määrittyy yleensä ulkoisen väylän nopeuden monikertana.

Prosessorit

Suoritin eli prosessori on tietokoneen ydin. Sen tehtävänä on käsitellä muistissa olevaa tietoa. Prosessori kykenee ainakin yhteen- ja vähennyslaskuun sekä loogisiin operaatioihin(and,or,not).

Prosessoriperheet

Prosessoreita on useita eri perheitä. Samaan perheeseen kuuluvat prosessorit jakavat saman käskykannan ("osaavat samaa kieltä."). Samat ohjelmat toimivat siis kaikilla saman perheen prosessoreilla, mutta eivät toisen perheen prosessoreilla.

Kuvia
Prosessori ja SDRAM-muisteja
Athlon (Slot-A)
Athlon XP (socket)
Pentium 4 (socket)

Prosessoriperhe	Prosessorit	Valmistaja(t)	Käyttökohteet
x86	286,386,486,Celeron, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV K5, K6, Duron, Athlon, Athlon XP ( + Mobile-versiot)	Intel AMD	PC:t, sulautetut järjestelmät
68xxx	68000, 68010, 68020, 68030, 68040, 68060	Motorola	Amiga, Mac, sulautetut järjestelmät
PowerPC	600-, 700-, 7400- ja 8400-sarjat	Motorola/IBM	Mac, sulautetut järjestelmät
Crusoe	TM5400, TM5500, TM5600, TM5800	Transmeta	Kannettavat PC:t, sulautetut järjestelmät

Nopeus

Prosessorin "bittisyys" 8/16/32/64 bittiä vrt. yhden sisäisen rekisterin koko
Kellotaajuus (MHz) eli kuinka monta miljoonaa tilan vaihdosta sekunnissa prosessori pystyy suorittamaan. Vanhoissa prosessoreissa tämä oli sama kuin suoritettavien operaatioiden määrä, mutta uudemmat pystyvät tekemään rinnakkain useita toimintoja samaan aikaan.
- Ylikellotus. Nostetaan väylänopeuksia tai prosessorin kerrointa yli suosituksien. Tällöin tietokoneen nopeus luonnollisesti kasvaa. Myös näytönohjaimia voi ylikellottaa. Saattaa kuitenkin aiheuttaa toimivuusongelmia.

Prosessorin rakenteesta

Prosessorikotelo sisältää prosessorin ytimen(keskellä), välimuistia ja liitäntäpinnit. Pinnien määrä ja kotelon rakenne määräävät emolevyn liitäntäkannan muodon.

Välimuisti

Välimuistit tehostavat muistinkäsittelyä.

Välimuistin taso	Sijainti	Koko
Level 1	Prosessorin sisällä	8 - 128 kilotavua
Level 2	Integroitu samaan koteloon prosessorin kanssa	128 - 512 kilotavua
Level 3	Emolevyllä	256 - 2048 kilotavua

Eritasoiset välimuistit prosessorin ja muistin välillä

Jännite

Kukin prosessori vaatii toimiakseen tietyn käyttöjännitteen (5V, 3,5V 3,3V, 2,9V). Mitä pienempi jännite sitä pienempi virrankulutus ja vähemmän hukkalämpöä.

Jäähdytys

Korkeilla kellotaajuuksilla toimiva prosessori kuumenee ja vaatii siis jäähdytystä. Jäähdytys toteutetaan yleensä jäähdytyssiilillä ja tuulettimella.

Pakkaustiheys

Transistorin toiminta

Pakkaustiheys eli transistorin leveys esim. 0.25 mikronia (millimetrin tuhannesosa). Nykyään parhaimmillaan 0.13 mikronia ja pienempään päin mennään melko tasaista vauhtia.

Prosessorin sisäinen toiminta

Prosessorin kaavakuva

Ohjelmalaskuri, joka sisältää seurtaavan käsiteltävän komennon muistiosoitteen
Käskyrekisteri, josta haetaan käsiteltävä komento
Yleiset rekisterit sisältävät komennon suorituksen tuloksen
Laskentayksikkö (ALU, Arithmetic Logical Unit) käsittelee komennon rekisterien sisällön kanssa
Liput muuttuvat komentojen suorittamisen seurauksena
Konekieli on prosessorin ymmärtämä kieli. Assembler on ihmisen ymmärtämä symbolinen versio konekielestä.


 ;
 ;  bin[3*i+1]=( (tmp&2)>> 1) + 48;
 ;

 0390 8B46FE    mov  ax,word ptr [bp-2] ; siirretään tmp ax:ään
 0393 250200    and  ax,2               ; tehdään ax:lle looginen AND binääriluvun 10 kanssa
 0396 D1F8      sar  ax,1               ; ax:n bitittäinen siirto oikealle yhden verran
 0398 0430      add  al,48              ; lisätään 48 al:aan eli muutetaan luku ascii-merkiksi
 039A 50        push ax                 ; talletetaan luku (ax) pinoon
 039B 8BC9      mov  ax,si              ; siirretään i ax:ään
 039D BA0300    mov  dx,3               ; siirretään luku 3 dx:ään
 03A0 F7EA      imul dx                 ; kerrotaan ax dx:ällä
 03A4 8BD8      add  ax,di              ; lisätään ax:n binääritaulun alkuosoite
 03A6 58        mov  bx,ax              ; siirretään ax:ssä oleva osoite bx:ään
 03A7 884701    pop  ax                 ; palautetaan talletettu luku ax:ään
 03AA 8BC6      mov  byte ptr [bx+1],al ; siirretään tavu al:stä muistiin taulun kohtaan 3*i+1

Käskykanta

Prosessorit voidaan jakaa niiden käskykannan perusteella seuraaviin luokkiin:

CISC (Complex Instruction Set Computer) esim. x86 ja 68xxx
RISC (Reduced Instruction Set Computer) esim. PowerPC
VLIW (Very-Long Instruction Word) esim. Crusoe

CISC	RISC
`KERRO muistipaikka_1, muistipaikka_2`	`SIIRRÄ muistipaikka_1, rekisteri_1 SIIRRÄ muistipaikka_2, rekisteri_2 KERRO rekisteri_1, rekisteri_2 SIIRRÄ tulosrekisteri, muistipaikka_1`

Taulukoita ja kaavioita

Prosessoreita

Prosessori	Julkaisu vuosi	Suurin kellotaajuus (MHz)	Sisäinen väylä (leveys)	Ulkoinen väylä (leveys)	Ulkoinen väylä (nopeus)	Osoite väylä	Sisäinen välimuisti (L1)	Sisäinen välimuisti (L2)	Jännite	Kanta	Pakkaus tiheys	Maksimi lämpö	Virran kulutus	Transistorit
Intel 4004	1971	0.108	4	4		12	-
Intel 8008	1972	0.300	8	8		14	-
Intel 8080	1974	3.125	8	8		16	-
Intel 8086	1978	10	16	16		20	-
Intel 8088	1979	10	16	8		20	-
Intel 80286	1982	20	16	16		24	-
Intel 386DX	1985	33	32	32		32	-
Intel 386SX	1988	33	32	16		24	-
Intel 486DX	1989	50	32	32		32	8 yhdistetty
Intel 486SX	1991	33	32	16		32	8 yhdistetty
Intel 486DX2	1992	66	32	32		32	8 yhdistetty
Intel Pentium	1993	200	32	64		32	8/8
AMD Am486DX	1993	40	32	32		32	8 yhdistetty
AMD Am486DX2	1993	100	32	32		32	8 yhdistetty
Cyrix CX486DX	1993	50	32	32		32	8 yhdistetty
Cyrix CX486DX2	1993	80	32	32		32	8 yhdistetty
Intel 486DX4	1994	100	32	32		32	16 yhdistetty
AMD Am48xDX4	1994	120	32	32		32	8 yhdistetty
Cyrix 5x86	1994	120	64	32		32	16 yhdistetty
Intel Pentium Pro	1995	200	300	64		36	8/8
AMD Am5x86	1995	133	32	32		32	16 yhdistetty
AMD K5	1995	120	32	64		32	16/8
Cyrix CX486DX4	1995	100	32	32		32	8 yhdistetty
Cyrix 6x86	1995	150	64	64		32	16 yhdistetty
Intel Pentium MMX	1996	266	32	64		32	16/16
Intel Pentium II	1997	450	300	64		36	16/16
Intel Pentium II M		1200	300	64	133 MHz	36	16/16	521	1.4		0.13	100	10-22W	44 milj.
AMD K6	1997	300	64	64		32	32/32
Cyrix 6x86 MX	1997	188	64	64		32	64 yhdistetty
Intel Celeron	1998	1200	300	64	100 MHz	36	16/16	256	1.475	Socket 370	0.13	69	30W	28 milj.
Intel Mobile Celeron		933	300	64	100 MHz	36	16/16	128	1.7		0.18	100	<3W	28 milj.
AMD K6-2	1998	550	64	64	100 MHz	32	32/32	(1024)	2.2/3.3	Super Socket 7	0.25	70	15-25W	9.3 milj.
AMD K6-3	1998	450	64	64		32	32/32
Cyrix MII	1998	300	64	64		32	64 yhdistetty
Cyrix III		700			133 MHz		128		1.9	Socket 370	0.18	70	17W	11.2 milj.
Cyrix C3E		733			133 MHz		128	64	1.5	Socket 370	0.15			15 milj.
Cyrix C3		866			133 MHz		128	64	1.5	Socket 370	0.13		7-12W	15 milj.
Intel Pentium III	1999	1266	300	64	133 MHz	36	16/16	512	1.45		0.13	69	31W	44 milj.
Intel Pentium III Xeon		1000			133 MHz		16/16	256	2.8/5/12	Slot 2	0.18	55	33-35W	28 milj.
AMD Athlon	1999	700	64	64		32	64/64
Intel Pentium IV	1999	3000	300	64	400 MHz	36	8/12 ETC	256	1.75	Socket 478	0.13/0.18	76	75W	42 milj.
Intel Xeon	2001	2000			400 MHz		8/12 ETC	256	1.7	Socket 603	0.18	78	78W
AMD Athlon	1999	1400	64	64	266 MHz	32	64/64	256	1.75	Socket A	0.18	95	65-72W	37 milj.
AMD Duron	2000	1100	64	64	200 MHz	32	64/64	64	1.75	Socket A	0.18	90	45-50W	25.2 milj.
AMD Mobile Duron		900	64	64	200 MHz	32	64/64	64	1.2-1.5	Socket A	0.18	95	2-24W	25 milj.
AMD Athlon 4	2000	1100	64	64	200 MHz	32	64/64	256	1.2-1.5	Socket A	0.18	95		37.5 milj.
AMD Athlon XP	2001	2000	64	64	266 MHz	32	64/64	256	1.75	Socket A	0.18	90	66W	37.5 milj.
AMD Athlon MP	2001	1550	64	64	266 MHz	32	64/64	256	1.75	Socket A	0.18
Crusoe TM3200	2000
Crusoe TM5400	2000	700					128	256	0.9-1.3		0.18		0.2-6W
Crusoe TM5500	2001	800			133 MHz		128	256	0.9-1.3		0.13		0.4-1W
Crusoe TM5600	2000	700					128	512	0.9-1.3		0.18		0.2-6W
Crusoe TM5800	2001	800			133 MHz		128	512	0.9-1.3		0.13		0.4-1W

Liitäntäkantoja

Nimi	Jännite	Yhteensopivat prosessorit
Socket 1	5V	486
Socket 2	5V	486
Socket 3	5V / 3.3V	486, AMD 5x86, Cyrix 5x86
Socket 4	5V	Pentium 60-66
Socket 5	3.3V	Pentium 75-133 MHz, Pentium MMX 125-166
Socket 6	3.3V	486
Socket 7	2.5- 3.3V	Pentium 75-200 MHz, Pentium MMX, 6x86, K5, K6, 6x86MX
Socket 8	3.1V / 3.3V	Pentium Pro
Slot 1	1.8V / 3.3V	Pentium II, Pentium III, Celeron
Slot 2	~1.7V	Celeron, Celeron II, Pentium III
Socket 370	1.3V - 2.05V	Pentium II
Slot A	~1.6V	Athlon
Socket A	1.5 - 1.75V	Duron, Athlon
Socket 423	1.75V	Pentium IV 1.3 - 2.0 GHz
Socket 478	1.5V	Pentium IV 1.6 - 3.0 GHz

Nopeuskehityksestä

Nopeuskehityksestä Kaavio suhteellisesta nopeuskehityksestä

Tiivistelmä

Käsitekartta