Microprocessor I - Lecture 02draelshafee.net/Fall2019/microprocessor-i---lecture-02.pdf · –MS...

24
Lecture (02) By: Dr. Ahmed ElShafee Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 1 1 Computers A Computer is a programmable, digital device Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 1 2

Transcript of Microprocessor I - Lecture 02draelshafee.net/Fall2019/microprocessor-i---lecture-02.pdf · –MS...

Lecture (02)

By:

Dr. Ahmed ElShafee

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 11

Computers

A Computer is a programmable,

digital device

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 12

Digital vs Analog

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 13

Digital

Discrete

Analog

Continuous

Binary Language

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 14

Two Digits Only!

Binary System

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 15

1

0

‘a’ = 01100001

34 = 100010

Image

Audio

Video

Computer Hardware

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 16

Input

Storage

Output

Processing

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 17

Processing: 1. Central Processing Unit

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 18

ALU Control Unit Registers

Processing: 3. Performance Factors

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 19

Clock Speed 2.2 GHz 3.4 GHz

Bus Speed 333 MHz 800 MHz

Word Size 32 bits 64 bits

Cache Size 3 MB 6 MB

Number of Cores

Dual Core Quad Core

Storage 

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 110

RAM (Random Access Memory)

ROM (Read Only Memory) Magnetic (Hard disk)

Optical (CD, DVD, Blu‐ray)

Solid state (Flash Storage)

Primary Storage Secondary Storage

Storage: 1. RAM

• Temporary Storage (volatile)

• Holds Data and Instructions waiting to be processed

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 111

Storage: 2. ROM

• Permanent Storage (non‐volatile)

• Read‐only

• Holds Bootstrap Instructions

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 112

Storage: 3. Hard Disk

• Permanent Storage (non‐volatile)

• Mechanical Movement to Read/Write

• Stores Programs and Files

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 113

Storage: 4. CD / DVD / Blu‐ray

• Permanent Storage (non‐volatile)

• Mechanical Movement to Read/Write

• Portable storage for programs and files

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 114

Storage: 5. Flash Storage

• Permanent Storage (non‐volatile)

• Electrical Pulses to Read/Write

• Portable storage for programs and files

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 115

Historical Perspective

• 1st generation: 1945 - 1955

– Tubes, punchcards

• 2nd generation: 1955 - 1965

– transistors

• 3rd generation: 1965 – 1980

– Integrated circuits

• 4th generation: 1980 – 1990

– PCs and workstations

• 5th generation: 1990– now

– Networks and distributed systems

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 116

>1st generation (1945-1955)

• Programming was done in machine language

• No operating system

• Programming and maintenance done by one group of people

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 117

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 118

ENIAC – The first electronic computer (1946)

18,000 tubes

300 Tn

170 KWatt

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 119

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 120

> 2nd generation (1955-1965)

• Transistor-based

• Fairly reliable

• Clear distinction between designers, manufacturers, users, programmers, and support personnel.

• Only afforded by governments, universities or large companies (millions $)

• Program was first written on paper (FORTRAN) and then punched into cards

• Cards were then delivered to the user.

• Mostly used for scientific and technical calculations

– Solving differential equations

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 121

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 122

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 123

> 3rd generation (1965-1980)

• IC-based operation

• IBM develops compatible systems

• Tradeoffs in performance, memory, I/O etc).

• Very expensive

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 124

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 125

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 126

> 4th generation (1980-1990)

• VLSI-based PCs

• Significantly cheaper

• User-friendly software

• 2 dominant operating systems:

– MS DOS: IBM PC (8088, 80286, 80386, 80486)

– UNIX: RISC workstations

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 127

> 5th generation (1990-till now)

• PC networks

• Network operating systems

• Each machine runs its own operating system

• Users don’t care where their programs are being executed

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 128

> Moore's law

• Moore's law is the observation that the number of transistors in a dense integrated circuit doubles approximately every two years

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 129

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 130

> Intel x86 Evolution: Milestones

Name  Date  Transistors MHz

• 8086  1978  29K  5‐10

– First 16‐bit Intel processor. Basis for IBM PC & DOS

– 1MB address space

• 386  1985  275K  16‐33

• First 32 bit Intel processor, referred to as IA32

• Added "flat addressing", capable of running Unix

• IA32 is an abbreviation of "Intel Architecture 32‐bit"; it refers to common 32‐bit computer architectures. where "architecture" means [hardware] + [appropriate Operating System]; Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 131

Name  Date  Transistors MHz

• Pentium 4E  2004  125M  2800‐3800

• First 64‐bit Intel x86 processor, referred to as x86‐64

• Core 2  2006  291M  1060‐3333

• First multi‐core Intel processor

• Core i7  2008  731M  1600‐4400

• Four cores

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 132

> Machine Evolution

• 386 1985  0.3M

• Pentium 1993 3.1M

• Pentium/MMX  1997  4.5M

• PentiumPro 1995  6.5M

• Pentium Ill  1999  8.2M

• Pentium 4  2000  42M

• Core 2 Duo  2006  291M

• Core i7  2008  731M

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 133

• Past Generations year Process technology 

• 1st Pentium Pro  1995 600 nm

• 1st Pentium Ill  1999 250 nm

• 1st Pentium 4  2000 180 nm

• 1st Core 2  Duo 2006 65 nm

• Process technology dimension = width of narrowest wires

• (10 nm == 100 atoms wide)

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 134

Recent & Upcoming Generations

• 1. Nehalem  2008  45 nm

• 2. Sandy Bridge  2011  32 nm

• 3. Ivy Bridge  2012  22 nm

• 4. Haswell 2013  22 nm

• 5. Broadwell 2014  14 nm

• 6. Skylake  2015  14 nm

• 7. Kaby Lake  2016  14 nm

• 8. Coffee Lake 2017  14 nm

• 9. Cannonlake 2018 10 nm

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 135

> x86 Clones: Advanced Micro Devices (AMD)• Historically

– AMD has followed just behind Intel

– A little bit slower, a lot cheaper

• Then

– Recruited top circuit designers from Digital Equipment Corp. and other downward trending companies

– Built Opteron: tough competitor to Pentium 4

– Developed x86‐64, their own extension to 64 bits

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 136

• Recent Years

– Intel got its act together

– Leads the world in semiconductor technology

– AMD has fallen behind

– Relies on external semiconductor manufacturer

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 137

> Intel's 64‐Bit History

• 2001: Intel Attempts Radical Shift from IA32 to IA64

– Totally different architecture (ltanium)

– Executes IA32 code only as legacy

– Performance disappointing

• 2003: AMD Steps in with Evolutionary Solution

– x86‐64 (now called "AMD64")

– Intel Felt Obligated to Focus on IA64

– Hard to admit mistake or that AMD is better

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 138

• 2004: Intel Announces EM64T extension to IA32

– Extended Memory 64‐bit Technology

– Almost identical to x86‐64!

– All but low‐end x86 processors support x86‐64

– But, lots of code still runs in 32‐bit mode

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 139

Basic component of micro processor based system•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 140

> ALU Arithmetic and Logic Unit

• The component that performs the arithmetic and logical operations

• the most important components in a microprocessor, and is typically the part of the processor that is designed first.

• able to perform the basic logical operations (AND, OR), including the other additional operation. 

• The inclusion of inverters on the inputs enables the same ALU hardware to perform the subtraction operation (adding an inverted operand), and the operations NAND and NOR.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 141

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 142

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 143

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 144

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 145

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 146

2 bits of ALU 4 bits of ALU

Thanks,..

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Microprocessors 147