2. Java-технология, предложенная компанией sun

В основе данной технологии лежит понятие виртуальной Java-машины. Большинство команд Java- процессора имеют длину один байт, что согласуется со стековой архитектурой процессора, использующей небольшое число регистров и указателей на данные.

Использование байт-кода в процессоре Java позволяет уменьшить длину программ. Средняя длина команды составляет 1,8 байта. В последнее время ко всем ранее существовавшим до­водам в пользу стандартизации архитектур добавилась практи­ческая потребность работы в сетях типа Internet, что выдвигает требование короткого программного кода. Открытые системы, создаваемые в Internet, позволят накапливать программные про­дукты и конструировать системы из уже существующих.

Архитектура виртуальной Java-машины достаточно похожа на архитектуру транспьютеров компании Inmos. Отличие факти­чески состоит в добавлении элементов объектно ориентиро­ванной технологии.

Одним из препятствий на пути развития Java-технологии яв­ляется низкая производительность исполнения Java-кода, однако есть все предпосылки для преодоления этого препятствия. Напри­мер, современные процессоры с системой команд х86 содержат специальный блок, транслирующий сложные команды в совокуп­ность простых команд RISC-процессора (наиболее яркий пример - микропроцессоры фирмы AMD, начиная с пятого поколения).

Далее RISC-процессор исполняет эти команды, используя все преимущества RISC-подхода для достижения высокой про­изводительности. Вполне реально разработать подобный транс­лятор для Java-кода, когда байт-код будет транслироваться в ко­манды реального процессора.

Другим возможным подходом к повышению производи­тельности может служить повышение скорости исполнения за счет одновременной обработки большого числа команд при вы­полнении их на параллельно функционирующих обрабатываю­щих устройствах. Этот подход также находит свою реализацию в многоядерных процессорах или процессорах с явно параллель­ной обработкой команд.

3. История развития и основные параметры микропроцессоров семейства Intel х86.

История микропроцессоров началась в 1971 г., когда фирма Intel выпустила первый микропроцессор i4004. Он имел разряд­ность данных 4 бита, способность адресовать 640 байт памяти, тактовую частоту 108 КГц и производительность 0,06 MIPS (Mil­lion Instructions Per Second). Такой процессор уже мог работать в качестве вычислительного ядра калькулятора. Он содержал 2300 транзисторов и выполнялся по технологии с разрешением 10 мкм. Через год появился его 8-битный «родственник» -18008, адресующий уже 16 Кб памяти.

В 1974 г. появился 8-разрядный процессор i8080, ставший весьма популярным устройством. Он уже имел частоту 2 МГц и адресовал 64 Кб памяти.

6000 транзисторов на кристалле позволила разместить 6-микрометровая технология изготовления. Процессор требовал трех источников питания (+5, +12 и -5 В) и сложной двухтакт­ной синхронизации. На этом процессоре строились разнообраз­ные терминалы, контроллеры и даже первый ПК Altair.

Следующим этапом стал процессор i8085 (5 МГц, 0,37 MIPS, 6500 транзисторов, 3-микрометровая технология). Он сохранил популярную регистровую архитектуру 8080 и программную со­вместимость, но в него добавили порт последовательного интер­фейса, упразднили специальные интегральные схемы (ИС) под­держки (тактового генератора и системного контроллера) и не­сколько изменили внешний интерфейс. Главным подарком раз­работчикам аппаратуры стало только одно питающее напряже­ние+5 В.

Вариацию на тему 8080 и 8085 представлял собой процес­сор Z80 фирмы Zilog. Сохранив программную совместимость с 8080, в него ввели дополнительные регистры, что позволило существенно повысить производительность. Результат оказался впечатляющим - популярные компьютеры Siclair, построенные на Z80, демонстрировали на играх графику, не уступающую компьютерам IBM PC (Personal Computer) на 16-разрядном про­цессоре 286.

Первый 16-разрядный процессор 8086, который, как выяс­нилось в дальнейшем, является «родоначальником» большого семейства микропроцессоров, получившего название «х86», фирма Intel выпустила в 1978 г. Частота 5 МГц, производитель­ность 0,33 MIPS, но инструкции уже с 16-битными операндами (позже появились процессоры 8 и 10 МГц). Технология 3 мкм, 29 тыс. транзисторов. Адресуемая память - 1 Мб. Регистровая архитектура и система команд существенно отличалась от 8080, но, естественно, прослеживаются общие идеи. Через год появил­ся 8088 - тот же процессор, но с 8-битной шиной данных. С него началась история IBM PC, наложившая свой отпечаток на даль­нейшее развитие этой линии процессоров Intel. Массовое рас­пространение и открытость архитектуры PC привели к лавино­образному появлению программного обеспечения, разрабаты­ваемого крупными, средними и мелкими фирмами и энтузиаста­ми-одиночками. Технический прогресс требовал (и сейчас тре­бует) развития процессоров, но груз программного обеспечения PC, которое должно работать и на более новых процессорах, в свою очередь требовал обеспечения обратной программной со­вместимости. Таким образом, все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к су­ществующему ядру.

При этом, естественно, возникали трудноразрешимые тех­нические проблемы. Фирма Intel зарезервировала первые 32 век­тора «для служебного пользования», однако на них «наехали» прерывания BIOS PC. Один из результатов - дополнительный способ обработки исключений сопроцессора, применяемый в старших моделях PC.

Процессор 80286, знаменующий следующий этап архитек­туры, появился только в 1982 г. Он уже имел 134 тыс. транзисто­ров (технология 1,5 мкм) и адресовал до 16 Мб физической па­мяти. Его принципиальные новшества - защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гб - не нашли массового применения, процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

Класс 32-разрядных процессоров был открыт в 1985 г. мо­делью 80386 (275 тыс. транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность ши­ны данных (как и внутренних регистров) достигла 32 бит, адре­суемая физическая память - 4 Гб. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищен­ный режим, появился режим V86, страничное управление памя­тью. Процессор нашел широкое применение в ПК, и на благо­датной почве его новых свойств стал разрастаться «самый боль­шой вирус» - MS Windows с приложениями.

С этого времени стала заметна тенденция «положительной обратной связи»: на появление нового процессора производите­ли программного обеспечения (ПО) реагируют выпуском новых привлекательных продуктов, последующим версиям которых становится явно тесно в рамках этого процессора. Появляется более производительный процессор, но после непродолжитель­ного восторга и его ресурсы «съедают» и т.д. Это «вечное дви­жение», конечно, естественно, но есть обоснованное подозрение, что большие ресурсы развращают (или, по крайней мере, рас­слабляют) разработчика ПО, не принуждая его напрягаться в по­исках более эффективных способов решения задачи. Примером эффективного программирования можно считать игрушки на Siclair ZX-Spectrum, которые реализуются на «игрушечных» ре­сурсах - 8-битном процессоре и 64 (128) Кб ОЗУ. С противопо­ложными примерами большинство пользователей персональных компьютеров сталкиваются регулярно, но с ресурсами и воз­можностями современных микропроцессоров на них не всегда обращают внимание.

История процессора 386 напоминает историю 8086: первую модель с 32-битной шиной данных (впоследствии названной 386DX) сменил 386SX с 16-битной шиной. Он довольно легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее базировавшуюся на процессоре 286.

Процессор Intel 486DX появился в 1989 г. Транзисторов - 1,2 млн, технология 1 мкм. От 386-го существенно отличается размещением на кристалле первичного кэша и встроенного ма­тематического сопроцессора (предыдущие процессоры имели возможность использования внешних сопроцессоров с марки­ровкой х87).

Кроме того, для повышения производительности в этом CISC-процессоре (как и в последующих) применено RISC-ядро. Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессора, применением внутреннего ум­ножения частоты, политикой записи кэша и др. Занялись энерго­сбережением (появился режим SMM - System Management Mode), что отразилось и в продолжении линии 386 процессоров (появился процессор Intel 386SL).

В 1993 г. фирма Intel изменила маркировку своих новых микропроцессоров пятого поколения. Вместо анонсированных ранее микропроцессоров Intel 80586 появились первые процес­соры Pentium с частотой 60 и 66 МГц - 32-разрядные процессо­ры с 64-битной шиной данных, количеством транзисторов на кристалле 3,1 млн, с питанием +5 В и выполненных по техноло­гии 0,8 мкм. Смена названия явилась следствием не только PR-хода - показать «революционность» нового микропроцессо­ра, но и необходимостью отсечь «пиратские клоны» кристалла 80586, появившиеся в Юго-Восточной Азии ранее оригиналов. От 486-го Pentium принципиально отличается суперскалярной архитектурой - способностью за один такт выпускать с конвейе­ров до двух инструкций (что, конечно, не означает возможности прохождения инструкции через процессор за полтакта или один такт). Интерес к процессору со стороны производителей и поку­пателей ПК сдерживался его очень высокой ценой. Кроме того, возник скандал с обнаруженной ошибкой сопроцессора. Хотя фирма Intel математически обосновала невысокую вероятность ее проявления (раз в несколько лет), она все-таки пошла на бес­платную замену уже проданных процессоров на исправленные.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появив­шиеся в 1994 г., представляли собой уже вторую линейку про­цессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они вы­полнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить по­требляемую мощность. От первой линейки они отличались внут­ренним умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и имели другой тип корпуса. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений (блокнотных ПК). Процессоры Pentium стали весьма популяр­ными в ПК. В 1995 г. появились процессоры на 120 и 133 МГц, выполненные уже по технологии 0,35 мкм (первые процессоры на 120 МГц делались еще по технологии 0,6 мкм). 1996-й назы­вают годом Pentium - появились процессоры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором для ПК широкого применения.

Параллельно с Pentium развивался и процессор Pentium Pro, который фирма Intel относила уже к шестому поколению своего семейства. Он отличался новшествами «динамического исполне­ния инструкций», направленными на увеличение числа парал­лельно исполняемых инструкций. Кроме того, в его корпусе раз­местили и вторичный кэш, для начала объемом 256 Кб. Однако на 16-битных приложениях, а также в среде Windows 95 его применение не дало преимуществ. Процессор содержит 5,5 млн транзисторов ядра и 15,5 млн транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кб. Первый процессор с частотой 150 МГц появил­ся в начале 1995 г. (технология 0,6 мкм), а уже в конце года поя­вились процессоры с частотой 166, 180 и 200 МГц (технология 0,35 мкм), у которых кэш достигал и 512 Кб.

П осле долгих обещаний в начале 1997 г. появились процес­соры Pentium ММХ. Расширение ММХ предполагает параллель­ную обработку группы операндов одной инструкцией. Техноло­гия ММХ была призвана ускорять выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработку сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчи­ков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенси­руется проигрышем на дополнительных операциях упаковки- распаковки. Кроме того, ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах видеоизображений, в ко­торых требуется обработка 80-битных операндов. Кроме расши­рения ММХ, эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производительность процессора Pentium ММХ и на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют уже 4,5 млн транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм.

Технология ММХ была соединена с архитектурой Pentium Pro, в мае 1997 г. появился процессор Pentium II. Он представля­ет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более вы­сокой внутренней тактовой частотой, в которое ввели поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша в одном корпусе с процессором преодолели нехитрым способом - кристалл с ядром процессора и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате-картридже. Все кристаллы закры­ты общей крышкой и охлаждаются специальным вентилятором. Тактовые частоты ядра - 233, 266 и 300 МГц.

В 1998 г. появились микропроцессоры Pentium II, выпол­ненные по технологии 0,25 мкм. Они имели тактовые частоты до 450 МГц и увеличенную до 100 МГц частоту системной шины, что стало возможным за счет уменьшения размеров эле­ментов.

В 1999 г. появился микропроцессор Pentium III, кристалл которого фирма Intel маркировала как «Pentium !!!». Он имел уже тактовую частоту до 1 ГГц и обеспечивал поддержку 70 но­вых команд, реализующих улучшенные возможности обработки изображений, трехмерной графики, потокового видео и аудио, а также распознавания речи. На этом кристалле впервые появился серийный номер, который является уникальным идентификато­ром процессора и может быть использован для идентификации компьютера в сети или со стороны прикладных программ. Pen­tium III выпускался по технологиям 0,25 или 0,18 мкм с частотой системной шины 100 или 133 МГц.

Последняя модель семейства х86, обеспечивающая про­граммную совместимость «снизу вверх», - 32-разрядный микро­процессор Pentium IV, появился в 2000 г. Он выполнялся по тех­нологии 0,18 или 0,13 мкм, имел тактовые частоты до 4 ГГц и содержал 42 млн транзисторов на кристалле. Основным отличи­ем данного микропроцессора от предыдущих моделей является поддержка гиперпоточности (Hyper-Threading). Суть этой техно­логии заключается в том, что в кристалл процессора добавлено несколько блоков, позволяющих одному физическому процессо­ру распознаваться и работать в системе как два логических про­цессора, каждый из которых может быть загружен своей задачей.

В процессорах рассматриваемого семейства, начиная с 486-го, применяется комбинированная архитектура - CISC- процессор имеет RISC-ядро. Все модели данного семейства, на­чиная с 8086-го и заканчивая Pentium IV, включают в себя под­множество системы команд и архитектуры нижестоящих моде­лей, обеспечивая совместимость с ранее написанным ПО. Ос­новные параметры микропроцессоров семейства Intel х86 приве­дены в табл. 2.1.

Конечно же, перечисленными моделями не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только пред­ставители одного семейства процессоров фирмы Intel, имеющих обобщенное название х86 (исключая 4- и 8-разрядные процессо­ры). Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments, Sun MicroSys- tems и др.) имеют разработки, существенно отличающиеся от данного семейства; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них есть и гораздо более мощные процессоры, относя­щиеся к классам как RISC-, так и CISC-архитектур. Однако про­цессоры семейства х86 имеют на настоящий момент самую сложную в мире систему команд и, бесспорно, превосходят дру­гие модели по числу установленных в компьютерах.

Фирма Intel в дальнейшем отказалась от своих планов раз­работки микропроцессоров седьмого поколения семейства х86 (рабочие названия Р7 и Merced) и, объединив свои интеллекту­альные, финансовые и материальные ресурсы с фирмой Hewlett- Packard (которая в свое время «поглотила» фирмы DEC и Com- pag), переключилась на разработку и производство принципи­ально новых 64-разрядных микропроцессоров, получивших на­звание Itanium. Первые кристаллы с архитектурой IA-64 (в осно­ве лежит параллельная обработка команд с явным параллелиз­мом - Explicitly Parallel Instruction Computing) появились в 2001 г., однако проблемы с серийным выпуском этих микропроцессоров продолжались еще несколько лет. Примерные параметры первой линейки микропроцессоров Itanium также приведены в табл. 2.1 (ЦП - центральный процессор, ШД - шина данных).

Модель	Год выпуска	Разрядность ЦП (бит)	Разрядность ШД (бит)	Адресуемая память	Тактовая частота (МГц)	Разрешение (мкм)	Число транзисторов на кристалле (тыс.)
4004	1971	4	4	640 байт	0,108	10	2,3
8008	1972	8	8	16 Кб	0,2; 0,5	10	3,5
8080	1974	8	8	64 Кб	2,0	6	6,0
8085	1975	8	8	64 Кб	5,0	3	6,5
8086	1978	16	16	1 Мб	до 10,0	3	29,0
8088	1979	16	8	1 Мб	до 10,0	3	29,0
80286	1982	16	16	16 Мб	до 25,0	1,5	134,0
80386	1985	32	32	4 Гб	до 33,0	1,5	275,0
80386SX	1986	32	16	16 Мб	16,0	1,5	275,0
80486	1989	32	32	4 Гб	до 33,0	1,0	1200,0
Pentium Pentium Pentium	1993 1994 1996	32 32 32	64 64 64	4 Гб 4 Гб 4 Гб	до 66,0 до 100,0 до 200,0	0,8 0,6 0,35	3100,0 3400,0 4500,0
Pentium Pro	1995	32	64	4 Гб	до 200,0	0,35	5500,0
Pentium MMX	1997	32	64	4 Гб	До 200,0	0,35	4500,0
Pentium II	1997	32	64	64 Гб	от 233,0	0,25/0,18	7500,0
Pentium III	1999	32	64	64 Гб	до 1 ГГц	0,25/ 0,18	9500,0
Pentium IV	2000	32	64	64 Гб	до 4 ГГц	0,18/ 0,13	42000,0
Itanium	2001	64	64	Несколько терабайт	до 2 ГГц	0,13/ 0,09	221000,0