InfoNu.nl > Electronica > Geschiedenis > Microprocessor basisbegrippen

Microprocessor basisbegrippen

De microprocessor, een kleine rekenmachine, doet al het werk in uw computer. Alle berekeningen worden stapsgewijs uitgevoerd. De stappen worden bijgehouden door tellers. Een teller geeft aan hoever een berekening gevorderd is, waar nieuwe instructie's (berekeningen) en data opgehaald moeten worden. Een cpu is een central processing unit, de program counter houdt bij welke volgende instructie aan de beurt is. De alu, of arithmetic logic unit is het circuit dat de berekeningen uitvoert.

Geschiedenis en enkele basisbegrippen

Na de uitvinding van de transistor in 1947 en de geïntegreerde schakeling in de jaren zestig, kwam de digitale techniek in een stroomversnelling terecht. Door het gebruik van MOS transistors en CMOS technologie werd het mogelijk om snelle, betrouwbare, kleine, en energiezuinige digitale chips te bouwen met een relatief lage kostprijs.

Aan het eind van de oorlog was de Hongaarse wiskundige Von Neumann betrokken bij de ontwikkeling van de eerste elektronische computer. Hij ontwierp hiervoor de naar hem vernoemde revolutionaire Von Neumann-architectuur. Hierbij worden een Central Programming Unit (CPU) en een werkgeheugen gebruikt. Zowel de data als het programma worden in het werkgeheugen geladen. Von Neumann wordt algemeen gezien als de grondlegger van de computerarchitectuur zoals we die heden ten dage kennen.

Een Von Neumann-architectuur is te implementeren met digitale componenten. De eerste processoren bestonden uit printplaten met componenten en IC's. In de jaren 70 ontstonden de eerste zogenaamde microprocessoren. Het hele systeem werd geïntegreerd op één enkele chip. De eerste microprocessor was van Intel: de i4004. De verdergaande miniaturisatie in de IC-technologie leidde ertoe dat de woordbreedte van microprocessoren van 4 bit (i4004) naar 8 bit, 16-bit, 32 bit en 64 bit konden groeien. Zowel de rekencapaciteit als de rekensnelheid zijn exponentieel gegroeid. Voor deze groei wordt nogal eens verwezen naar de wet van Moore: Iedere 18 maanden verdubbelt het aantal transistoren dat in een die (plakje halfgeleidend materiaal) geïntegreerd kan worden.

Architectuur van een microprocessor

Een microprocessor bevat de volgende onderdelen:
  • Arithmetic Logic Unit (ALU), eenheid die de berekeningen uitvoert,
  • Instructie-register (bewaart gelezen instructies),
  • Logica om instructies te decoderen en de onderdelen aan te sturen (statemachines),
  • Accumulator-register waarin (tussen)resultaten worden opgeslagen,
  • Statusregister waarin informatie over de laatst uitgevoerde bewerking bijgehouden wordt,
  • Program counter register (programmateller die het adres van de volgende instructie bijhoudt),
  • Registers die geheugenplaatsen kunnen aanwijzen, zoals stackpointers en indexregisters,
  • Logica om interrupts af te handelen.

Werking

Een microprocessor voert rekenkundige en logische bewerkingen op data uit. Alle berekeningen of bewerkingen zijn terug te voeren op een reeks achtereenvolgende arithmetische (optellen, vermenigvuldigen), of logische (digitale AND, OR, schuiven etc..) instructies. Vaak wordt een berekening gebroken in een aantal berekeningen met tussenresultaten.

Deze reeks is vastgelegd in een algoritme of programma (naast instructies bevat het ook de data). Om het programma stapsgewijs uit te voeren wordt het eerst in het werkgeheugen geladen.
  • De program counter wijst het adres aan waar de eerste instructie van het programma zich bevindt.
  • De instructie wordt opgehaald (gelezen) en in het instructieregister gezet.
  • Als de instructie uit meerdere woorden (bv 4 keer een byte) bestaat worden meerdere instructies gelezen en opgeslagen in het instructieregister.
  • De statemachine decodeert de instructie en geeft het ALU en alle registers opdracht om een bewerking uit te voeren.
  • Afhankelijk van de instructie wordt het resultaat van de bewerking tijdelijk opgeslagen, in het geheugen gezet, of dient het als nieuw adres voor de program counter.
  • Na de bewerking wordt de program counter met 1 opgehoogd of met een getal geladen.
  • De statemachine geeft aan wanneer een nieuwe bewerking start, en zal volgens de nieuwe waarde van program counter de volgende instructie ophalen uit het werkgeheugen.

Het ophalen van instructie wordt fetch genoemd; het uitvoeren van instructie execute. De snelheid waarmee een fetch-execute cyclus kan worden uitgevoerd wordt in feite bepaalt door de kloksnelheid. In de digitale techniek worden 1-bit registers (flip-flops) gebruikt, die per klokslag een bit kunnen vasthouden. De logica die tussen 2 flip-flops ligt dient snel genoeg te zijn om de signalen te laten propageren binnen de periode van een klokslag, haalt een circuit bijvoorbeeld 1 [ns] dan zal de kloksnelheid ongeveer zijn:

  • f = 1/T = 1/1 ns = 1,0 [GHz]

Tegenwoordig worden er kloksnelheden gehaald in de ordegrootte GigaHerz (=10E9 Hz), hogere snelheden zijn niet eenvoudig te halen, engineers en materiaalwetenschappers zijn al jarenlang in een creatieve miniturisation wedloop verwikkeld.
© 2009 - 2018 Tronic, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Tips voor het aanschaffen van een laptopTips voor het aanschaffen van een laptopTegenwoordig heeft vrijwel iedereen wel een computer of laptop thuis. Internet is bijna niet meer weg te denken uit onze…
De Intel Core 2 processorsIntel maakte een nieuwe generatie microprocessors met een x86-architectuur, genaamd de Intel Core 2. Deze 64 bits-proces…
AMD Athlon en Phenom processorsAMD staat voor "Advanced Micro Devices" en is een Amerikaans multinational bedrijf gevestigd in Sunnyvale, Californië. A…
AMD Phenom en Phenom II processorAMD Phenom en Phenom II processorEen paar jaar geleden brak de core hype los. Eerst Intel, later ook AMD met de phenom processoren. Nu staat de nieuwste…
nieuws uitgelichtCore i7, de nieuwe intel processor vervangt core-2-duoCore i7, dat is de naam van de nieuwe processorlijn (opvolger van de core2) van intel. Hiermee blijft intel bij de 'core…

Reageer op het artikel "Microprocessor basisbegrippen"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Infoteur: Tronic
Laatste update: 29-12-2017
Rubriek: Electronica
Subrubriek: Geschiedenis
Schrijf mee!