Глава 2. МИКРОПРОЦЕССОРЫ
2.1. Как появились и развивались микропроцессоры
2.1.1. Создание корпорации Intel
Лидер микроэлектронной индустрии – корпорация Intel была основана тремя специалистами: Бобом Нейсом, Гордоном Муром и Энди Гроувом - в конце 60-х годов прошлого века. Название фирмы происходит от слов INTegral ELectronic (интегральная электроника). Начальную финансовую поддержку фирме в объеме 2,5 миллиона долларов оказал финансист Артур Рок. Поначалу Intel выпускала ходовой в те годы товар - микросхемы памяти.
В 1969 году некая малоизвестная японская фирма Busicom заказала Intel разработку дюжины микросхем для своего нового микрокалькулятора. Ее поручили трем сотрудникам фирмы Intel - Теду Хоффу, Федерико Феджину и Стэну Мэйзору. Эта разработка и стала тем золотым яичком, которое снесла Intel и за которое они были занесены в список лауреатов Национального зала славы изобретателей США. Славная троица вместо десятка микросхем придумала одну, но такую, функции которой задавались программным путем.
Новую микросхему назвали 4004, а вскоре за ней утвердилось название «микропроцессор», поскольку ее функции напоминали функции центрального процессора ЭВМ. Создатели первых микропроцессоров считали их особенно перспективными в устройствах промышленной электроники и бытовой техники. Разработкой и производством микропроцессоров занялось множество фирм. Но бессменным лидером микропроцессорной индустрии остается корпора-
ция Intel.
2.1.2. Два класса микропроцессоров (CISC и RISC)
Микропроцессоры выпускаются двух классов:
•CISC (Complex Inctruction Set Commands) – процессор с полным набором инструкций (команд);
•RISC (Reduced Inctruction Set Commands) – процессор с сокращен-
ным набором инструкций.
Самые распространенные микропроцессоры Pentium относятся к категории CISC, хотя внутри и используют архитектурные решения RISC процессоров. RISC процессоры используются в ПК корпорации Apple, в серверах и рабочих станциях IBM и Sun Microsystems. Про-
52
цессоры этого типа нередко применяются и в карманных компьютерах, поскольку они менее сложны технологически и потребляют меньше электрической энергии по сравнению с процессорами класса CISC. Особых преимуществ друг перед другом процессоры этих классов не имеют и развиваются параллельно.
2.1.3. История микропроцессоров Intel от 4004 до Itanium
Чтобы понять многие особенности современных микропроцессоров и компьютеров, нужно рассмотреть историю создания микропроцессоров. Это связано с тем, что новейшие процессоры должны поддерживать все возможности старых процессоров, т. е. должна обеспечиваться аппаратная и программная совместимость сверху вниз. История создания микропроцессоров очень поучительна.
1971 год: микропроцессор 4004
До появления микропроцессора 4004 все микросхемы имели конкретное и довольно узкое назначение, например, логические элементы, переключатели или устройства памяти. Первый микропроцессор корпорации Intel 4004 стал поистине революционным изобретением: он представлял собой устройство, функциональные возможности которого могли меняться программным путем в широчайших пределах. Поэтому один микропроцессор мог заменить множество различных микросхем.
Новая микросхема была 4-разрядной и содержала 2200 транзисторов. На ее кристалле в хороший оптический микроскоп можно было рассмотреть отдельные детали – проводники, некоторые диоды и транзисторы. Процессор 4004 имел простейшее арифметикологическое устройство (АЛУ), регистры и порты ввода/вывода, зачатки блока управления памятью. Он мог выполнять только целочисленные операции и работал на частоте всего 108 КГц.
1972 год: микропроцессор 8008
Вычислительная мощь процессора 8008, по сравнению с его предшественником, возросла вдвое - частота 200 КГц. Дон Ланкастер применил процессор 8008 в разработке прототипа персонального компьютера — устройства, которое служило терминалом вводавывода.
53
1974 год: микропроцессор 8080
Этот процессор с частотой 2 МГц стал основой первого компьютера «Альтаир», напоминающего отдаленно персональный компьютер. Десятки тысяч экземпляров комплекта для самостоятельной сборки «Альтаира» разошлись за несколько месяцев.
1978 год: микропроцессоры 8086
16-разрядный микропроцессор 8086 объединял в себе три важнейших устройства ЭВМ:
•арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции,
•блок управления, осуществляющий согласованное управление различными узлами микро-ЭВМ, построенной на базе микропроцессора,
•блок ввода/вывода, осуществляющий управление портами вво-
да/вывода.
8086 мог прямо адресоваться всего к 216=65536 ячейкам памяти,
что было явно недостаточно. Тогда конструкторы процессора предложили оригинальный ход: задавать адрес двумя 16-разрядными числами. Специальная комбинация их позволяла с помощью 20-разрядной шины адресов задавать 65536 сегментов памяти и относительный сдвиг адреса для выбранного сегмента. В результате стала возможной адресация до 1 048 576 ячеек памяти (или 1 Мбайта). На деле из мегабайта адресуемой памяти можно было использовать только 640 Кбайт
– это была основная память ПК. Но этот несовершенный механизм адресации памяти пришлось сохранять в последующих микропроцессорах.
Процессор 8086 мог работать с частотами 5, 8 и 10 МГц. С целбю ускорения математических расчетов для этого процессора был создан математический сопроцессор 8087, резко повысивший скорость математических расчетов.
1979 год: микропроцессоры 8088
Возможности микропроцессора 8086 оказались избыточными для применений конца семидесятых годов. Так, подавляющее большинство периферийных устройств тех времен были 8-разрядными. Поэтому в 1979 году фирма Intel разработала и выпустила новый мик-
54
ропроцессор 8088, ставший упрощенным вариантом 8086 с восьмиразрядной шиной данных.
Именно микропроцессоры 8088 выбрала IBM для своих массовых ПК IBM PC XT. Они оказались самыми подходящими для ПК начала 80-х годов и поставлялись фирмой Advanced Micro Devices (AMD), вначале тесно сотрудничавшей с Intel. Частоты процессора составляли 5 и 8 МГц.
1982 год: процессоры 80186 и 80188
В 1982 году фирма Intel выпустила усовершенствованные микропроцессоры 80186 и 80188. Они сохранили архитектуру микропроцессоров 8086 и 8088, но имели ряд усовершенствований. Из них основные - это встроенный контроллер прямого доступа к памяти (DMA) и счетчик/таймер. Эти процессоры широко применялись в контроллерах периферийных устройств и в некоторых ПК.
1982 год: микропроцессор 286
В процессоре 286 (80286) к устройствам ввода/вывода, АЛУ и блоку управления добавилось новое устройство - блок управления памятью с объемом до 16 Мбайт. Этот микропроцессор мог работать в двух различных режимах работы - реальном и защищенном. В реальном режиме он имитировал работу микропроцессора 8086. При этом доступный для адресации объем памяти составлял, как и прежде, всего 640 Кбайт. В защищенном режиме 286-ой понимал команды доступа к памяти с объемом до 16 Мбайт. Но память при этом по-прежнему делилась на сегменты (страницы) с размером 64 Кбайта.
Частота работы микропроцессора 286 была повышена до 10 МГц, а в его последующих модификациях – даже до 20-25 МГц. Этот микропроцессор был избран фирмой IBM для ее очередной удачной модели IBM PC AT. Для микропроцессора 286 был создан математический сопроцессор 287.
1985 год: микропроцессор Intel 386™
Микропроцессор Intel 386™ насчитывал уже 275 000 транзисторов. Это был 32-разрядный процессор с возможностью одновременного выполнения нескольких программ. Он содержал: АЛУ, блок шинного интерфейса и блок управления памятью, включающий блок сегментации памяти и блок подкачки страниц. Каждая страница памяти
55
могла быть разбита на сегменты по 4 Кбайта. Блок подкачки страниц обеспечивал управление памятью с объемом до 4 Гбайт (1 Гбайт - это 1024 Мбайтов), т.е. барьер в 640 Кбайт был превзойден, причем очень сильно.
Микропроцессор 386 мог работать в многозадачном режиме, при котором компьютер выполнял одновременно несколько задач. Он также мог осуществить работу с так называемой виртуальной (кажущейся) памятью. При ее применении у пользователя создается впечатление, что он работает с памятью большего размера, чем это есть на самом деле. А на деле «лишние» и временно не используемые участки памяти просто записываются на жесткий диск компьютера и, после освобождения ОЗУ, вновь заносятся в него.
Важным нововведением в процессорах 386 стало кэширование памяти. Это означает хранение ожидаемых команд микропроцессора или нужных данных в специальном быстром ОЗУ - кэш-памяти (памяти приоритетов), из которого они в нужный момент быстро извлекаются. Кэширование основано на теории предсказания команд, которые могут использоваться процессором в ближайшее время.
Для микропроцессора 386 был создан математический сопроцессор 80387 фирмы Intel и еще более мощный сопроцессор Weitek 3167. Это резко повысило скорость выполнения математических операций - до уровня, характерного для мини-ЭВМ.
Первыми разработчиками ПК, оценившими достоинства микропроцессора 386, стали специалисты из фирмы Compaq - одного из серьезных конкурентов IBM в области производства массовых ПК. С их ПК началась эра 32-разрядных ПК с микропроцессором 386. Вскоре множество фирм (в том числе и IBM), спохватившись, стали разрабатывать и выпускать ПК на базе микропроцессоров 386. А выпуск ПК с процессорами 8086/8088/286 пошел на убыль.
1989 год: микропроцессор Intel 486™ DX
В1989 г. Intel выпустила очередную новинку - микропроцессор
486.Микросхема микропроцессора 486 содержала уже около 1,2 миллиона транзисторов! Впервые число транзисторов на кристалле превысило эту непостижимую по тем временам величину. Микропроцессор 486 также имеет 32-разрядную шину данных и позволяет адресоваться к почти фантастическому объему памяти - до 64 000 Мбайтов (или 64 Гбайта)! Впервые математический сопроцессор был встроен в кристалл с процессором.
56
Другая важная новика - встроенная в микропроцессор сверхбыстрая кэш-память первого уровня – L1 с объемом 8 Кбайта. Эта память занимала почти треть площади кристалла. Поскольку кэш-память расположена на одном кристалле с процессором, резко уменьшается время обмена между ними информацией. Кроме того, обмен идет по внутренней 128-разрядной шине. В результате при прочих равных условиях микропроцессор 486 работал более чем вдвое быстрее, чем лучшие образцы 386.
Микропроцессор 486 заключен в довольно большой керамический корпус со штырьковыми выводами (их 168), расположенными по всем четырем сторонам. Как правило, для охлаждения микропроцессора используется радиатор или миниатюрный вентилятор.
Процессор 486 имел рабочую частоту до 50 МГц. Однако дальнейшее повышение частоты стало ограничиваться еще и пропускной способностью шины данных. Она во время появления этого процессора не превышала 30-35 МГц. Был найден довольно необычный выход из этого положения. Он заключается в умножении частоты работы микропроцессора внутри его кристалла. Такие микропроцессоры были созданы и получили названия вида 486DXN-F, где N – число, задающее кратность частоты F внутри кристалла.
1992 год: процессор Pentium®
Не успел пройти триумф 486-х микропроцессоров, как фирма Intel выдала на рынок очередную новинку – 32-разрядный микропроцессор уже пятого поколения P5 (586). Впрочем, он вскоре получил более звучное название Pentium (пятый). Первые образцы процессора имели частоты 60 и 66 Мгц. Они содержали на кристалле 3,5 миллиона транзисторов. Шина адресов у Pentium 32-разрядная. Процессоры выполнялись по технологии с разрешением 0,8 мкм и при напряжении питания 5 В потребляли мощность около 13 Вт.
Архитектура процессора была вновь улучшена. Теперь работа процессора базируется на конвейерной и суперскалярной архитекту-
ре. Конвейер в процессоре - это блок одновременно выполняемых команд, поступающих в его начало и идущих к концу конвейера. А суперскалярность означает одновременную работу ряда конвейеров. В процессоре был реализован и механизм предсказания переходов в программах.
Pentium содержит два 5-стадийных конвейера, которые могли (с определенными ограничениями) за один такт выполнять две идущие подряд целочисленные команды. Вдвое (до 16 Кбайтов) был увеличен
57
объем кэш-памяти первого уровня - половина ее отведена на данные, другая на программы. Это повышает эффективность кэширования.
Все процессоры Pentium используют умножение частоты в 1,5, 2, 2,5 или в 3 раза, что позволяет применять их со стандартными шинами, которые стали самым узким местом в архитектуре современных ПК. Рабочая частота наиболее распространенных шин PCI вдвое меньше внешней максимальной тактовой частоты микропроцессоров первого поколения (50, 60 и 66 МГц) и достигает, таким образом, 33 МГц.
К другим важным техническим решениям при создании Pentium относятся:
•частичное применение RISC-технологии,
•разделение кэш-памяти на два блока (для данных и команд), что повышает вероятность предсказания данных и команд,
•использование специального протокола обратной записи MESI, повышающего эффективность работы кэш-памяти.
•увеличение разрядности шины данных с 32-х до 64-х разрядов и конвейерная обработка циклов шины данных,
•контроль за четностью данных и адресов.
Эти и другие технические усовершенствования существенно повысили производительность Pentium. Максимальные скорости выполнения целочисленных операций достигли величин до 320 - 400 млн. операций в секунду. Изящный и довольно прочный металлокерамический корпус процессо-
ра Pentium (рис. 2.1) обычно вставлялся в колодку на материнской плате компьютера.
Рис. 2.1. Микропроцессор Pentium (слева с открытой крышкой)
Процессор нуждался в принудительном охлаждении, поэтому на него сверху устанавливался небольшой радиатор с миниатюрным вентилятором.
1995 год: процессор Pentium® Pro
Фирма Intel в 1995 году выпустила свой новый процессор шестого поколения P6 или Pentium Pro. Новый процессор оказался почти вдвое производительней Pentium при той же технологии и при той же
58
тактовой частоте, что было достигнуто за счет улучшения архитектурных решений.
Pentium Pro - первый микропроцессор, у которого в одном корпусе установлено два кристалла (чипа): один собственно микропроцессор, а второй - быстрая статическая кэш-память (рис. 2.2). Процессор имеет два уровня кэш памяти. Первый уровень - сверхскоростная кэш-память с объемом в 16 Кбайт. Она встроена в кристалл самого процессора и разделена на две области - данных и команд. Это сокращает время быстрого доступа
к тем и другим.
Рис. 2.2. Микропроцессор
Pentium Pro
На дополнительном кристалле находится кэш второго уровня на 256 или даже 512 Кбайт. Такое двойное кэширование существенно ускоряет скорость работы микропроцессора, но заметно усложняет его конструкцию и повышает стоимость. Достаточно отметить, что число транзисторов на кристалле кэш-памяти составляло 15,5 и 31 миллион, что намного превышало число транзисторов собственно микропроцессора – 5,5 миллиона. Чип процессора занимает площадь
306кв. мм, а чип кэш-памяти - 202 кв. мм.
ВPentium Pro использован один 12-стадийный конвейер, уменьшивший время нахождения команд в работе в среднем на 33%. За один цикл Pentium Pro выполняет уже от трех до пяти команд. В процессоре используются новые эффективные методы предвидения будущего поведения команд. При этом традиционная фаза выполнения команды заменяется на две фазы - «диспетчерирование/ выполнение» и «откат». В P6 обеспечено улучшенное предсказание переходов (почти всегда правильно определяется предстоящая последовательность команд), введен анализ потоков данных. Процессор способен выполнять некоторые команды до завершения выполнения предшествующих команд. Эта новая возможность называется опережающим выполнением команд.
Вцелом работа Pentium Pro реализует новую технологию динамического выполнения команд. Предприняты меры по улучшению эффективности работы окружения микропроцессора, и прежде всего ускорения доступа к памяти. Указанные меры позволили увеличить
59
производительность Pentium Pro даже более чем вдвое. Переход на новую технологию (с разрешением 0,35 мкм) позволил повысить частоты работы Pentium Pro до 200 Мгц, а затем и до еще более высоких. Практически первые Pentium Pro 200 были на 58% производительнее,
чем Pentium 200.
1995 год: процессоры Pentium MMX
Начало 90-х годов характеризовалось бурным развитием мультимедиа. Этот термин произошел от слова multimedia, что в переводе означает «множественная среда». С применением мультимедиа компьютеры стали использоваться в качестве музыкальных синтезаторов, цифровых магнитофонов, проигрывателей оптических дисков и даже видеодисков с видеофильмами. Для реализации мультимедиа Intel с рядом компаний создала новую технологию MultiMedia eXtension (сокращенно MMX).
Затем она ввела ее в новое поколение микропроцессоров - класса Pentium MMX (P55C). Начинающему дряхлеть Pentium вмиг продлили жизнь. Кратко отметим, какие конкретно новинки введены в
микропроцессоры Pentium MMX:
•57 новых команд, оптимизированных для наиболее характерных для мультимедиа вычислений,
•увеличенная до 32 Кбайт емкость кэш-памяти первого уровня,
•возможность обработки за одну инструкция разом 8 байт данных
(SIMD),
•четыре новых типа данных (упакованные байты, слова и двойные слова, а также четверное слово),
•восемь 64-разрядных регистров MMXот MM0 до MM7, совмещенных с регистрами для выполнения операций с плавающей запятой,
•повышенная скорость выполнения коротких и часто повторяющихся циклов,
•увеличенное число операций умножения,
•оптимизация всех алгоритмов, требующих интенсивных вычислений,
•увеличение числа транзисторов с 3,3 до 4,5 миллионов.
Самой важной особенностью MMX-процессоров является возможность с помощью одной инструкции работать сразу с несколькими (до 8) данными нового типа - упакованными байтом, словом, двойным и четверным словами. Эти данные могут размещаться в любом из восьми MMX-регистров, с длиной 64 бита. Данная возможность обес-
60
печивает групповую (иначе говорят, параллельную) быструю обра-
ботку данных Single Instruction, Multiple Data (SIMD) - одна инструк-
ция, много данных. MMX регистры были совмещены с теми регистрами, которые в прежних Pentium служили для реализации арифметики с плавающей запятой - FPU.
1997 год: процессор Pentium® II
В 1997 г. Intel выпустила процессор Klamath, названный в дальнейшем Pentium II. Его Высочество Pentium II был представлен свету в мае 1997 года. Фактически это Pentium PRO, но с технологией MMX. Новый процессор содержит 7,5 миллиона транзисторов. Частоты процессора - 233, 266 и 300 МГц. В процессоре использована архитектура двойной независимой шины (Dual Independent Bus).
Вторая шина процессора для связи с кэш-памятью второго уровня работает на частоте 150 МГц, против 66 МГц у процессоров Pentium c общей шиной, и поддерживает групповой обмен данными. В результате производительность Pentium II несколько выше, чем у Pentium Pro. Предусмотрено параллельное выполнение двух MMXкоманд и резко ускорено переключение процессора с работы с муль- тимедиа-командами на операции с плавающей запятой.
Pentium II поставляется в специальном довольно большом кор-
пусе-картридже SEC (Single Edge Contact cartridge) с односторонним расположением выводов (рис. 2.3). Увы, и на этот процессор была нужна установка большого радиатора с вентилятором.
Рис. 2.3. Установка процессора Pentium II на материнскую плату компьютера
Из недостатков
Pentium II можно отме-
тить снижение скорости общения с внешней кэш-памятью второго уровня. Но более серьезен второй недостаток - ограничение предельной емкости ОЗУ. Из-за ориентации на чипсет 440FX доступный объем памяти не мог превышать 500 Мбайт. Современные профессио-
61