Uso Didattico dell'Informatica Storica 07 STORIA DEI MICROPROCESSORI E INTRODUZIONE ALLA VIRTUALIZZAZIONE prof. Cuoghi Giampaolo ITIS “A.Volta” Sassuolo (MO)

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07Motivazione Spesso nella trattazione dei µP ci si limita a modelli ormai superati come lo Z80, 8088 o simili. Visto il massiccio impiego di µP nella tecnologia attuale è necessario conoscere le caratteristiche dei moderni microprocessori. La famiglia Intel x86 è stata scelta in quanto i µP che le appartengono hanno svolto e svolgono un ruolo fondamentale nelle applicazioni più disparate: PC, Server, Reti, Automazione,… Studiando la famiglia x86 si può comprendere in generale l’evoluzione dei µP.

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07Contesto Classe: 5 a D I. T. I. S. “A.Volta” Sassuolo (MO). Specializzazione: Elettronica e Telecomunicazioni. Sistemi Automatici. Disciplina: Sistemi Automatici.

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07 Nascita del microprocessore Il primo µP, chiamato 4004, fu costruito da Intel nel Nacque dall’idea di racchiudere in un unico circuito integrato tutte le parti componenti una CPU (Central Processing Unit). Nel 1974 viene prodotto il processore Intel Diventò la CPU del primo personal computer, il MITS Altair Nel 1976 la Zilog, concorrente di Intel, produce il µP Z80. Nel 1978 Intel produce il µP 8086, uno tra i primi µP a 16 bit. IBM selezionò l’8088 (una sotto-versione dell’8086) per il suo primo PC, chiamato IBM PC. L’8086 divenne il capostipite della famiglia x86.

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07 La famiglia x ~ 2 GHz64 bit2006Core 2 Duo ~ 3 GHz64 bit2005Pentium D ~ 2 GHz32 bit2002Pentium IV ~ 600 MHz32 bit1999Pentium III ~ 400 MHz32 bit1997Pentium II ~ 200 MHz32 bit1993Pentium MHz 32 bit MHz32 bit MHz16 bit MHz16 bit N° transistorFrequenza max clock RegistriAnno di presentazione Sigla Ecco i principali componenti della famiglia x86:

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07 La famiglia x86 La principale caratteristica della famiglia x86 è la RETROCOMPATIBILITA’. Cioè l’architettura di ogni nuovo µP risulta compatibile con quella dei precedenti in modo da consentire al software preesistente di funzionare sui nuovi µP. LEGGE DI MOORE: Da osservazioni sperimentali si è notato che la densità massima di transistor in un circuito integrato (n°di transistor per cm 2 ) raddoppia ogni 24 mesi. Si presume che questa legge varrà ancora per circa 20 anni. L’8086 è basato su una tecnologia costruttiva a 3 µm = 3000 nm, mentre gli attuali Core su una tecnologia a µm = 65 nm.

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07 Caratteristiche dei moderni µP Rispetto ai primi µP (ad esempio Z80), nei processori moderni sono presenti importanti novità:  Direct Memory Access (DMA)  Coprocessore Matematico  Memoria Cache  Struttura Pipeline  Evoluzione della gestione della memoria  Dual Core

Uso Didattico dell'Informatica Storica Anno 1978, transistor Tecnologia NMOS Dual-in-line 40 pin Alimentazione +5V TTL compatibile Bus dati 16 bit, bus indirizzi 20 bit (1MB) Fmax=10 MHz 12 registri a 16 bit Indirizzamento segmentato (seg:off) Supporta coprocessore matematico 8087

Uso Didattico dell'Informatica Storica Anno 1982, transistor Pin grid array 68 pin, Alim. +5V TTL compatibile Bus dati 16 bit, bus indirizzi 24 bit (16MB) Fmax=16 MHz 15 registri a 16 bit Pipeline con 4 unità Supporta coprocessore matematico Modalità reale: emula 8086 Modalità protetta: gestisce multitasking, memoria virtuale e protezione della memoria.

Uso Didattico dell'Informatica Storica Anno 1985, transistor Bus dati 32 bit, bus indirizzi 32 bit (4GB) Fmax=33 MHz 15 registri a 32 bit Consente l’uso di memoria Cache esterna (32-64 KB) Supporta coprocessore matematico Permette la gestione della memoria a pagine Oltre a Modalità reale e Modalità protetta ha Modalità Virtuale: permette di simulare vari 8086 virtuali ognuno in un ambiente protetto.

Uso Didattico dell'Informatica Storica Anno 1989, transistor Bus dati 32 bit, bus indirizzi 32 bit (4GB) Contiene internamente coprocessore matematico Contiene 8KB di memoria Cache interna Fmax=50 MHz (DX) Clock interno ed esterno sono differenti in DX2: internamente 66 MHz, esternamente 33 MHz. Versione SL con risparmio energetico, per PC portatili.

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07Pentium Anno 1993, transistor Tecnologia BiCMOS (Bipolari+CMOS)  raffreddamento Bus dati 64 bit (registri 32 bit), bus indirizzi 32 bit (4GB) 8KB Cache dati + 8KB Cache istruzioni (interne) Branch Prediction Unit Doppia ALU con pipeline (Struttura Superscalare)  due istruzioni eseguite per ciclo di clock (cond. ottimali) Fmax=200 MHz Versione MMX: 57 nuove istruzioni multimediali (MultiMedia Extension)

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07Pentium

Evoluzione del Pentium Pentium PRO: 1995, transistor, architettura P6 Cache L2 integrata, pipeline 14 stadi, 3 ALU, possibilità di eseguire le istruzioni fuori ordine, esecuzione speculativa. Pentium II: 1997, transistor, architettura P6 Simile Pentium PRO, slot con Cache L2 separata (512KB) 300 MHz clock interno, 66 MHz clock esterno (Front Side Bus, FSB), istruzioni MMX. Celeron: versione economica del Pentium II. Senza Cache L2 esterna o con 128KB Cache L2 interna. Il nome è utilizzato tuttora per tutte le serie economiche di Intel.

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07 Evoluzione del Pentium Pentium III: 1999, transistor, architettura P6. Cache L2 integrata (256KB), istruzioni SSE (Streaming SIMD Extension), clock interno 700 MHz, FSB 133 MHz, tecnologia 180 nm, alimentazione 1,7 V. Pentium 4: 2002, transistor, architettura Netburst. Nuova architettura, istruzioni SSE2 e SSE3, pipeline stadi, FSB MHz, clock interno GHz, HyperThreading, tecnologia 90 nm. Pentium M: 2003, per Laptop e la piattaforma Centrino. Basso consumo (5 – 25 W), frequenza di clock minore di Pentium 4 (ma pari prestazioni) ~1.6 GHz, frequenza di clock variabile (maggiore adattabilità di utilizzo).

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07 µP 64 bit Fino al 2003 tutti i µP Intel e AMD erano a 32 bit (ampiezza dei registri). Il limite maggiore di questa architettura è la massima memoria indirizzabile pari a 4 GB. Nel 2003 AMD ha esteso lo standard x86 portandolo a 64 bit (AMD64) ma mantenendo la retrocompatibilità. Su questo standard si basano le CPU Athlon 64 e Opteron. Intel ha recepito questo standard, e aggiungendo qualche modifica ne ha creato uno simile chiamato Extended Memory 64-bit Technology (EM64T). Su questo standard si basano tutte le recenti CPU a 64 bit di Intel. In AMD64 e EM64T tutti i registri sono a 64 bit e la massima memoria indirizzabile è pari a 2 48 bytes = 2 18 GB. Per sfruttare a pieno le CPU a 64 bit è necessario disporre di un sistema operativo adeguato: Linux, Windows XP x64, Windows Vista,…

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07 µP Dual Core Dalla metà del 2005 sono apparsi sul mercato i primi µP Dual Core di Intel e AMD: Intel Pentium D: contiene 2 Pentium 4 Prescott, clock 3 GHz, supporto 64 bit (EMT64), 1MB Cache L2 (x core), tecnologia 90 nm. AMD Athlon 64 X2: contiene 2 Athlon 64, clock 2.4 GHz, supporto 64 bit (AMD64), 1MB Cache L2 (x core), potenza dissipata ~ 100 W. La previsione di Intel era che alla fine del 2006 il 70% delle CPU vendute per PC Desktop fosse Dual Core (o in generale Multicore).

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07 Introduzione alla Virtualizzazione I moderni µP permettono l’esecuzione di più sistemi operativi contempo- raneamente, ovvero la gestione di Macchine Virtuali (VM):

Uso Didattico dell'Informatica Storica 07 Utilizzo delle VM nelle reti LAN