19. Назначение, классификация, история создания и эволюции микропроцессоров

Процессор — важнейший и сложнейший элемент ЭВМ. Производством процессоров занимается небольшое число фирм. Наиболее массовое распространение в настоящее время получили процессоры, производимые фирмами Intel и AMD (США).

По конструктивному признаку все процессоры делятся на разрядномодульные (собираемые из нескольких микросхем) и однокристальные (они изготавливаются в виде одной микросхемы, на одной подложке, на од­ном кристалле). Однокристальные процессоры в настоящее время получили наибольшее распространение.

По способу представления команд (инструкций) все микропроцессоры можно разделить на две группы:

— процессоры типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с пол­ным набором команд;

— процессоры типа RISC (Reduced Instruction Set Computing ) с сокращенным набором команд. Эти процессоры нацелены на быстрое выполнение небольшого набора простых команд. При выполнении сложных ко­манд RISC-процессоры работают медленнее, чем CISC-процессоры. Эти две архитектуры процессоров постоянно сближают­ся, приобретая лучшие свойства из каждой. Более перспективной считается RISC-архитектура. В настоящее время прослеживается постепенное слияние этих архитектур. При этом каждая из них заимствует у другой ее самые лучшие черты.

В августе 1969 г. фирма Intel Corp., располагавшаяся в Маунтен-Вью (шт. Калифорния), получила заказ от японской фирмы Busicom Corp. на проектирование двенадцати типов микросхем, рассчитанных на семейство калькуляторов.

Марчиан Хофф, считающийся создателем первого МП, был в то время ответственным за прикладные исследования в фирме Intel. Вспоминая свою работу, он пишет: «Они (японские заказчики) хотели использовать методы программирования ПЗУ для специализации функций». Я же, «вместо того, чтобы делать калькулятор с некоторыми возможностями программирования, хотел сделать его как бы универсальным компьютером, программируемым для работы в качестве калькулятора».

Фирма Busicom одобрила решение Intel в октябре 1969г. Однако, как вспоминает Хофф, «фирма Intel осознала, что существует большой рынок сбыта для компьютеров, как компонентов» и в июне 1971г. анонсировала микропроцессорный набор i4004. Набор микросхем 4004 был разработан Федерико Фэггином, который в последствии стал президентом фирмы Zilog Inc.

В этот набор входили:

- ПЗУ-4001 на 256 байт;

- запоминающее устройство произвольной выборки (ЗУПВ), выполняющее роль ОЗУ-4002 на 80 4-битовых слов;

- 10-разрядный сдвиговый регистр с последовательным входом (СР-4003) и расширитель выходного порта;

- принципиально новый 4-разрядный центральный микропроцессор (ЦП), структура которого представлена на рис.6.1. Все интегральные схемы изготавливались по р -канальной МОП -технологии с кремниевыми затворами. Центральный процессор обеспечивал вместе с портами МС-4001 и МС-4002 обслуживание 128 линий входа-выхода.

Система команд i4004 включала всего 45 команд:

- 16 машинных команд (5 из них двойной длины);

- 14 аккумуляторных команд;

- 15 команд ввода-вывода и адресации портов.

Среди арифметических команд присутствовали только команды сложения и вычитания. Умножение, деление и вычисление квадратного корня выполнялись программно, что существенно снижало и так невысокое быстродействие микропроцессора. Полный машинный цикл длился 10,8 с. Команды выполнялись за 1 или 2 цикла. Среднее быстродействие составляло 50 тыс. коротких операций в секунду для 4-разрядных операндов. МП был выполнен в корпусе DIP(dual-in-line package), имел 16 внешних соединений и получал электропитание от одного источника напряжением 15 В. Центральный процессор (ЦП), размерами 3,8 х 2,8 мм мог управлять работой до 16 ПЗУ и 16 ЗУПВ, т.е. был рассчитан на максимальный объем постоянной 4096 байт и 4120 бит оперативной памяти.

В 1974 г. был разработан восьмиразрядный микропроцессор i8080 (отечественный аналог КР580ВМ80А), а в 1978 г. — микропроцессор i8086, совместимый с микропроцессором i8080. Система команд процес­сора насчитывала уже 134 команды. На базе микропроцессора i8086 и его модификации i8088 выпускались компьютеры IВМ РС и IBM РС/ХТ. В технической литературе используют термины «процессор» и «микропроцессор». Различие указанных тер­минов заключается в уточнении технологии изготовления и габаритов про­цессора.

Микропроцессор изготавливается по полупроводниковой тех­нологии и размещается на одном кристалле, в одной микросхеме (иногда говорят — в одном чипе).

В 1980 г. был анонсирован сопроцессор с плавающей точкой i8087, который расширил состав команд процессора i8086 почти на 60 новых команд. Сопроцессор — это специальная микросхема (помощник), которая берет на себя часть важных функций процессора, чаще всего выполнение арифметических операций с плавающей точкой. Сопроцессор реализует арифметические операции аппаратным способом, что осуществляется намного быстрее по сравнению с программным способом вычислений, которым реализуются операции процессором без использования сопроцессора. По этой причине его иногда называют математическим сопроцессором.

Разработанный в 1982 г. микропроцессор i80286 еще больше усовершенствовал конструкцию МП i8086. В нем была реализована защита памяти, расширено адресное пространство, а также добавлено несколько команд. Заметим, что во многих литературных источниках вместо полного на­именования марки процессоров используются их сокращенные названия. Например, вместо Intel 80286 пишут i286 или просто 286. Часто для общего обозначения процессоров серий 80286, 80386, 80486 записывают 80x86 (и даже х86). Название фирмы Intel иногда сокращают до одной бук­вы, например i80486.

Процессор i80286 был способен выполнять программы, разработанные для процессора i8086. Способность процессора последующей модифи­кации выполнять программы, разработанные для процессоров предыдущей конструкции, называется совместимостью процессоров снизу вверх. Другими словами, программы, разработанные для предыдущих конструкций процессоров, работают без исправлений и дополнений на процессорах новых конструкций.

Начиная с МП 80286, процессоры фирмы Intel поддерживают режим выполнения нескольких задач (так называемый многозадачный режим). При работе в многозадачном режиме процессор поочередно переключается от одной задачи к другой, но в каждый текущий момент времени обслужива­ется лишь одна программа.

В 1987 г. появился микропроцессор i80386. Начиная с этого процессо­ра, во всех процессорах используется конвейерное выполнение команд — одновременное выполнение в разных частях МП нескольких последовательно записанных в ОЗУ команд. Конвейерное выполнение команд увеличивает быстродействие ЭВМ в 2—3 раза.

МП 80386 мог функционировать в двух основных режимах:

— режиме реальной адресации, который характеризуется тем, что МП работает как очень быстрый процессор i8086 с 32-разрядными шинами;

— режиме защищенной виртуальной адресации, который характе­ризуется параллельным выполнением нескольких задач, как бы несколькими процессорами i8086, по одному на каждую задачу.

Процессор 80486 разработан в 1989 г. и содержит более миллиона транзисторов. Процессоры i486SХ и i486DХ — это 32-разрядные процессоры, у ко­торых внутренняя кэш-память первого уровня имеет емкость 8 Кбайтов. Ос­новное отличие между ними заключается в том, что в процессоре i486DX впервые сопроцессор размещен на общей подложке (на одном кристалле) с процессором. В МП i86SХ отсутствует встроенный сопроцессор для вы­полнения операций с плавающей точкой. Поэтому он имел меньшую цену и применялся в ЭВМ, для которых не очень важна производительность при обработке вещественных чисел. По желанию пользователя такие ЭВМ могут быть укомплектованы дополнительным сопроцессором i4878Х, который из­готавливался в виде отдельной микросхемы.

В процессоре i486DХ2 применена технология удвоения внутренней тактовой частоты. Это позволяет увеличить производительность процессора почти на 70%. Процессор 1486DХ4/100 использует технологию утроения тактовой частоты. Он работает с внутренней тактовой частотой 99 МГц, в то время как внешняя тактовая частота составляет 33 МГц (частота, на которой работает системная шина).

В процессоре Pentium (появился в 1993 г.) стали использоваться эле­менты структуры RISC-процессоров. Он изготовлен по 0,8-микронной тех­нологии и содержит 3,1 миллиона транзисторов. Процессор Pentium иногда обозначают Р5 или i80586. Термин «0,8-микронная технология» означает, что каждый транзи­стор размещается на кристалле внутри квадрата с указанным размером сто­роны.

Первоначальная реализация процессора Pentium была рассчитана на работу с тактовыми частотами 60 и 66 МГц. Впоследствии были разработа­ны процессоры Pentium, работающие с тактовыми частотами 75, 90, 100, 120, 133,150,166,200МГц.

1 ноября 1995 г. появился первый процессор Pentium Рго (i0686, Р6) с тактовой частотой 150 МГц.

8 января 1997 г. появился процессор Pentium ММХ с тактовой часто­той 166 МГц. Технология ММХ (MultiMedia Extension) предполагает включение в состав команд процессора Pentium дополнительного набора из 57 команд. Новые команды предназначены в первую очередь для реализации алгоритмов об­работки видео- и аудиоданных: фильтрации, преобразований Фурье, свертки и пр. Технология iММХ позволяет обрабатывать несколько пакетов данных одинаковым образом, т. е. использует технологию SIMD (Single Instruction Multiple Data – одна команда – много данных) . Число транзисторов в процессоре Pentium ММХ составляет 4,5 млн. штук, а кэш-память первого уровня имеет объем 32 Кбайта. Как показали испытания, ММХ -процессор увеличивает производительность по сравнению с обычным процессором Pentium на величину до 34%.

В 1995—1997 г.г. корпорация Intel выпустила еще несколько моделей: Pentium ММХ 266 МГц и Pentium Рго 200 МГц.

7 мая 1997 г. появился процессор Pentium II с тактовой частотой 233 МГц. 5 апреля 1998 г. фирма 1n1е1 представила модели Pentium II с такто­выми частотами 350 и 400 МГц. Процессор Pentium II изготавливался по 0,25-микронной технологии. На срезе человеческого волоса можно уместить 30 000 таких транзисторов. Кроме того был осуществлен также переход на тех­нологии 0,18 и 0,13 микрометра.

С целью завоевания рынка фирма Intel выпустила недорогой по сравнению с Pentium процес­сор Се1егоn, в котором первоначально отсутствовала кэш-память второго уровня. 24 августа 1998 г. фирма Intel представила еще два процессора семей­ства Celeron— 300А и 333. Новые процессоры выполнены по 0,25 мкм тех­нологии и содержали кэш-память второго уровня размером 128 Кбайтов.

2 августа 1999 г. вышел Pentium III, работающий на частоте 600 МГц. По сравнению с Pentium II в нем для увеличения быстродействия еще больше усилено распараллеливание процессов.

В ноябре 2000 г. выпущен процессор Pentium 4 с тактовыми частота­ми 1,4 и 1,5 ГГц. Процессор Pentium 4 изготавливался по 0,18-микронной технологии. В процессоре используется 144 новых команд (инструкций), предназначенных для ускорения обработки видео-, мультимедиа, трехмер­ной графики и криптографии.