Зміст
Введення
Розвиток мікропроцесорів
Мікропроцесори i80386
Мікропроцесори i80486
Процесори Pentium
Продуктивність процесорів
Співпроцесори
Список використаної літератури
Введення
Найважливіший елемент будь-якого PC - мікропроцесор. Він більшою мірою визначає можливості обчислювальної системи. Перший мікропроцесор i4004 був виготовлений в 1971р і з тих пір фірма Intel міцно утримує лідируюче положення на сегменті ринку. Найбільш успішний проект розробки i8080. Саме на ній був заснований комп'ютер "Альтаїр", для якого Б. Гейтс написав свій перший інтерпретатор Basic. Класична архітектура i8080 справила величезний вплив на подальший розвиток однокристальних мікропроцесорів. Справжнім промисловим стандартом для PC став мікропроцесор i8088, який був анонсований Intel в червні 1979р. У 1981р "блакитний гігант" (фірма IBM) вибрала цей процесор для свого PC. Спочатку мікропроцесор i8088 працював на частоті 4.77 Мгц і мав швидкодію близько 0.33 Mops, однак потім були розроблені його клони, розраховані на більш високу тактову частоту 8 МГц. Мікропроцесор i8086 з'явився рівно на рік раніше, в липні 1978р, став популярний завдяки комп'ютеру Compaq Dec Pro. Спираючись на архітектуру i8086 і враховуючи запити ринку, в лютому 1982р Intel випустила i80286. Він з'явився одночасно з новим комп'ютером IBM PC AT. Поряд зі збільшенням продуктивності мав захищений режим (використовував більш витончену техніку управління пам'яттю). Захищений режим дозволив такими програмами, як Windows 3.0 і OS / 2 працювати з ОЗУ вище 1Мб. Завдяки 16-ти розрядних даними на новій системній шині можна обмінюватися з ПУ 2-х байтними повідомленнями. Новий мікропроцесор дозволяв в захищеному режимі звертатися до 16Мб ОЗУ. У процесорі i80286 вперше на рівні мікросхем були реалізовані мультизадачність і управління віртуальною пам'яттю. При тактовій частоті 8 МГц досягалася продуктивність 1.2 Mips.
1 Розвиток мікропроцесорів
ЕОМ отримали широке поширення, починаючи з 50-х років. Колись це були дуже великі і дорогі пристрої, що використовуються лише в державних установах та великих фірмах. Розміри і форма цифрових ЕОМ невпізнанно змінилися в результаті розробки нових пристроїв, званих мікропроцесорами.
Мікропроцесор (МП) - це програмно-керований електронне цифровий пристрій, призначений для обробки цифрової інформації і керування процесом цієї обробки, виконане на одній або декількох інтегральних схемах з високим ступенем інтеграції електронних елементів.
У 1970 році Маршіан Едвард Хофф із фірми Intel сконструював інтегральну схему, аналогічну за своїми функціями центральному процесору великої ЕОМ - перший мікропроцесор Intel-4004, який вже в 1971 році був випущений у продаж.
15 листопада 1971 можна вважати початком нової ери в електроніці. У цей день компанія приступила до постачань першого в світі мікропроцесора Intel 4004.
Це був справжній прорив, бо МП Intel-4004 розміром менш 3 см був продуктивніше гігантської машини ENIAC. Правда працював він набагато повільніше і міг обробляти одночасно тільки 4 біти інформації (процесори великих ЕОМ обробляли 16 або 32 біта одночасно), але і коштував першого МП в десятки тисяч разів дешевше.
Кристал був 4-розрядний процесор з класичною архітектурою ЕОМ гарвардського типу і виготовлявся за передовою p-канального МОП технології з проектними нормами 10 мкм. Електрична схема приладу налічувала 2300 транзисторів. МП працював на тактовій частоті 750 кГц при тривалості циклу команд 10,8 мкс. Чіп i4004 мав адресний стек (лічильник команд і три регістра стека типу LIFO), блок Ронова (регістри сверхоперативной пам'яті або регістровий файл - РФ), 4-розрядне паралельне АЛУ, акумулятор, регістр команд з дешифратором команд і схемою управління, а також схему зв'язку із зовнішніми пристроями. Всі ці функціональні вузли об'єднувалися між собою 4-розрядної ШД. Пам'ять команд досягала 4 Кбайт (для порівняння: обсяг ЗУ мініЕВМ на початку 70-х років рідко перевищував 16 Кбайт), а РФ ЦП нараховував 16 4-розрядних регістрів, які можна було використовувати і як 8 8-розрядних. Така організація Ронова збережена і в наступних МП фірми Intel. Три регістру стека забезпечували три рівня вкладення підпрограм. МП i4004 монтувався в пластмасовий або металокерамічний корпус типу DIP (Dual In-line Package) всього з 16 висновками. В систему його команд входило всього 46 інструкцій.
Разом з тим кристал розпорядженні досить обмежені кошти вводу / виводу, а в системі команд були відсутні операції логічної обробки даних (І, АБО, виключає АБО), у зв'язку з чим їх доводилося реалізовувати за допомогою спеціальних підпрограм. Модуль i4004 не мав можливості зупинки (команди HALT) і обробки переривань.
Цикл команди процесора складався з 8 тактів задає генератора. Була мультиплексована ША (шина адреси) / ШД (шина даних), адреса 12-розрядний передавався по 4-розряду.
1 квітня 1972 фірма Intel почала постачання першого в галузі 8-розрядного приладу i8008. Кристал виготовлявся по р-канального МОП-технології з проектними нормами 10 мкм і містив 3500 транзисторів. Процесор працював на частоті 500 кГц при тривалості машинного циклу 20 мкс (10 періодів задає генератора).
На відміну від своїх попередників МП мав архітектуру ЕОМ Прінстонського типу, а в якості пам'яті допускав застосування комбінації ПЗП і ОЗУ.
У порівнянні з i4004 число РОН зменшилася з 16 до 8, причому два регістри використовувалися для зберігання адреси при непрямій адресації пам'яті (обмеження технології - блок РОН аналогічно кристалам 4004 і 4040 в МП 8008 був реалізований у вигляді динамічної пам'яті). Майже вдвічі скоротилася тривалість машинного циклу (з 8 до 5 станів). Для синхронізації роботи з повільними пристроями був введений сигнал готовності READY.
Система команд налічувала 65 інструкцій. МП міг адресувати пам'ять об'ємом 16 Кбайт. Його продуктивність у порівнянні з чотирирозрядний МП зросла в 2,3 рази. У середньому для сполучення процесора з пам'яттю і пристроями введення / виведення було потрібно близько 20 схем середнього ступеня інтеграції.
Можливості р-канальної технології для створення складних високопродуктивних МП були майже вичерпані, тому "напрям головного удару" перенесли на n-канальну МОП технологію.
1 квітня 1974 МП Intel 8080 був представлений увазі всіх зацікавлених осіб. Завдяки використанню технології п-МОП з проектними нормами 6 мкм, на кристалі вдалося розмістити 6 тис. транзисторів. Тактова частота процесора була доведена до 2 МГц, а тривалість циклу команд склала вже 2 мкс. Обсяг пам'яті, що адресується процесором, був збільшений до 64 Кбайт.
За рахунок використання 40-вивідного корпусу вдалося розділити ША і ШД, загальне число мікросхем, що вимагалися для побудови системи в мінімальній конфігурації, скоротилася до 6.
У РФ були введені покажчик стека, активно використовується при обробці переривань, а також два программнонедоступних регістра для внутрішніх пересилань. Блок Ронова був реалізований на мікросхемах статичної пам'яті. Виняток акумулятора з РФ і введення його до складу АЛУ спростило схему управління внутрішньої шиною.
Нове в архітектурі МП - використання багаторівневої системи переривань по вектору. Таке технічне рішення дозволило довести загальне число джерел переривань до 256 (до появи БІС контролерів переривань схема формування векторів переривань вимагала застосування до 10 додаткових чипів середньої інтеграції). У i8080 з'явився механізм прямого доступу в пам'ять (ПДП) (як раніше в універсальних ЕОМ IBM System 360 і ін.)
ПДП відкрив зелену вулицю для застосування в мікроЕОМ таких складних пристроїв, як накопичувачі на магнітних дисках і стрічках дисплеї на ЕПТ, які й перетворили мікроЕОМ в повноцінну обчислювальну систему.
Традицією компанії, починаючи з першого кристала, став випуск не окремого чіпа ЦП, а родини БІС, розрахованих на спільне використання.
Сучасні мікропроцесори побудовані на 32-х бітної архітектурі x86 або IA-32 (Intel Architecture 32 bit), але зовсім скоро відбудеться перехід на більш досконалу, продуктивну 64-х бітну архітектуру IA-64 (Intel Architecture 64 bit). Фактично перехід вже почався, цьому свідчить масовий випуск і вихід в продаж у 2003 році нового мікропроцесора Athlon 64 корпорації AMD (Advanced Micro Devices), цей мікропроцесор примітний тим, що може працювати як з 32-х бітними додатками, так і з 64-х бітними. Продуктивність 64-х бітних мікропроцесорів набагато вище.
2 Мікропроцесори i80386
У жовтні 1985 року Intel анонсував перший 32-розрядний мікропроцесор i80386. Першим комп'ютером, використовує цей мікропроцесор, був Compaq De sk Pro 386. Повністю 32-розрядна архітектура у новому мікропроцесорі була доповнена розширеним пристроєм управління пам'яттю, який, крім блоку сегментації було доповнено блоком управління сторінками. Цього пристрій дозволяє легко переставляти сегменти з одного місця пам'яті в інше. На тактовій частоті 16 МГц швидкодія складала 6 Mips. 32-адресні лінії дозволяли фізично адресувати 4Gb пам'яті, крім того, було запроваджено новий режим управління віртуальною пам'яттю V86. У цьому режимі могли одночасно могли виконуватися кілька завдань для i8086.
Мікропроцесор i80386, виготовлений на 1 кристалі з співпроцесором, називався i80386DX. Дешевша модель 32-розрядного мікропроцесора з'явилася тільки в липні 1988р (i80386SX). Новий мікропроцесор використовував 16-розрядну шину даних і 24-розрядну шину адреси. Це було особливо зручно для стандартного IBM PC AT. Програмне забезпечення, написане для i80386DX, працювало на i80386DX. Внутрішні регістри були повністю ідентичні. Індекс SX походить від слова "шістнадцять" (16-розрядна шина даних). Для i486 SX став означати відсутність співпроцесора. На осінній виставці в 1989р Intel анонсувала i80486DX, який містив 1.2 млн. транзисторів на одному кристалі і був повністю сумісний з іншими 86-процесорами. Нові мікросхеми вперше об'єднали на 1 кристалі ЦП, співпроцесор і Кеш-пам'ять. Використання конвеєрної архітектури, властивої RISC-процесорів, що дозволяє досягти 4-х кратного продуктивності звичайних 32-розрядних систем. 8Кб вбудованої Кеш-пам'яті прискорювали виконання за рахунок проміжного зберігання часто використовуваних команд і даних. На тактовій частоті 25 Мгц мікропроцесор мав продуктивність 16.5 Mips. Створена в січні 1991р. версія мікропроцесора з тактовою частотою 50 МГц дозволяв збільшити продуктивність ще на 50%. Вбудований співпроцесор істотно прискорював математичні обчислення, однак згодом стало ясно, що подібний мікропроцесор необхідний тільки 30% користувачів.
3 Мікропроцесори i80486
Поява нового мікропроцесора i80486SX можна вважати одним з найважливіших подій 1991р. Попередні випробування показали, що i486SX з частотою 20 МГц працював приблизно на 40% швидше i486DX з частотою 33 МГц. Мікропроцесор i486SX містить на кристалі КЕШ пам'ять, а математичний співпроцесор заблокований. Якщо мікропроцесор i486DX був орієнтований на застосування в мережевих серверах і на робочих станціях, то i486SX послужив відправною точкою для створення потужних настільних комп'ютерів. У сімействі i486 передбачено декілька нових можливостей для побудови мультипроцесорних систем: команди підтримки, механізм семафорів пам'яті. Апаратно реалізовано виявлення недостовірності рядка Кеш-пам'яті, що забезпечує узгодженість між кількома модулями Кеш-пам'яті. Для мікропроцесорів сімейства i486 допускалася адресація фізичної пам'яті 4Gb і віртуальної пам'яті розміром 64 Тб. До кінця 1990 р. 32-розрядні мікропроцесори стали стандартними для комп'ютерів Notebook, однак, типові мікросхеми i386DX/SX не повністю відповідали вимогам розробників портативних комп'ютерів. У 1990р фірмою Intel був розроблений i386SL, який представляв собою інтегрований варіант мікропроцесора i386SX, базова архітектура якого була доповнена ще кількома контролерами. Всі компоненти, необхідні для побудови портативного комп'ютера, зосереджені в 2 мікросхемах: мікропроцесор i80386SL і периферійний контролер i82360SL. У набір i386SL вперше введені нові переривання SMI, які могли бути використані для обробки подій, пов'язаних з управлінням споживаної потужністю. Разом з мат. співпроцесором i80387SL даний набір мікросхем дозволяв створювати комп'ютер на площі, не набагато перевищує розмір гральної карти. Мікросхема i80486SL являє собою самий продуктивний процесор серії SL, розроблений Intel в кінці 1992р. За продуктивності він поступається i80486DX, але, завдяки зниженому напрузі живлення (3.3 V), він може ефективно використовуватися в портативних комп'ютерах. Продуктивність систем такого типу підвищується за рахунок 16-розрядної шини PI-інтерфейсу, який підтримує швидкий інтерфейс графічного дисплея і зроби ств хр Анен інформації на основі Flash-пам'яті.
У 1992 році Intel оголосила про створення 2-го покоління МП, названих i486DX2. Вони забезпечували нову технологію, при якій швидкість роботи ядра МП в 2 рази вище швидкості решти системи. Тим самим з'явилася можливість об'єднання високої продуктивності МП з внутрішньою частотою 50МГц та ефективні за швидкістю 25/33МГц системи. Нові мікросхеми як і раніше включали в себе ЦП, математичний співпроцесор і кеш-пам'ять на 8Кб. Комп'ютери, побудовані на базі i486DX2, працюють приблизно на 70% швидше тих, що засновані на МП i486DX2 першого покоління. Трохи пізніше з'явилися процесори на базі i486SX2, в яких відсутній вбудований співпроцесор. Слід нагадати, що технологія множення частоти столу використовуватися на процесорах OverDrive. Основна відмінність DX2 і OverDrive в тому, що перші монтуються на системній платі ще при складанні машини, а другі встановлюються самим користувачем. Внутрішні функціональні вузли використовують подвоєну тактову частоту, у той час як інші елементи системної плати працюють зі звичайною швидкістю. Це дозволяє збільшити продуктивність системи за рахунок зберігання частини даних і виконуваних кодів у внутрішній кеш-пам'яті. Підвищена продуктивність супроводжується істотним збільшенням споживаної потужності. В даний час технологія множення частоти знаходить широке застосування практично у всіх сучасних МП. Так фірма Intel випускає серію МП DX4 (DX4-75, 83,100,120). Напруга харчування цих МП 3.3В. Кількість транзисторів 1.6 млн.
4 Процесори Pentium
У березні 1995 р. Intel оголосила про поставку 66,60 МГц версії МП, відомого раніше як 586. Ці системи повністю сумісні з МП i86, 286, 386, 486. Нова Мікросхема містить близько 3,1 млн. транзисторів і має 32-х розрядну адресну і 64-х шину даних, що дозволяє обмін даними з системною платою зі швидкістю 528 Мб / с. На відміну від 486, при виробництві якого використовувалася КМОП технологія, при виробництві Pentium Intel застосувала 0.8 мікронну Bi-CSOS технологію. Р166 має продуктивність близько 112 MIPS. Суперскалярна архітектура містить 2 п'яти східчастих блоку виконання, що працюють незалежно, і обробних 2 інструкції за 1 такт синхронізації. Pentium має 2 розділених кеша по 8Кб для команд і даних. Одним з найбільш цікавих нововведень є невелика кеш-пам'ять, звана буфером міток переходів, що дозволяє динамічно пророкувати переходи у виконуваних програмах. За швидкістю оперування з плаваючою точкою Pentium залишив далеко позаду всіх своїх побратимів по класу. Це досягається завдяки реалізації оптимізованих алгоритмів, а також спец. апаратних блоків складання, множення і ділення з 8-ї ступінчастою конвеєризації, що дозволяє виконувати операції з плаваючою точкою за 1 такт. В даний час випускаються версії Pentium із внутрішнім множенням частоти в 1.5 / 2 рази (75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66). Для зниження розсіюваною потужності з 13 до 4 Вт напруга живлення знижено до 3,3 В. Три режиму споживання розраховані на максимальний струм у 1A, 50мА, 100мкА. Кількість висновків зросла до 296. Для виробництва кристала стала використовуватися 0.6 мікронна Bi-CMOS технологія. Кількість транзисторів зросла до 3.3 млн.
1 листопада 1995 Intel оголосила про початок комерційних поставок МП нового покоління P6, в основі якого лежить комбінація технології багаторазового межі розгалуження, аналіз потоків даних і емуляція виконуваних інструкцій. У корпусі Мікросхема розміщуються 2 кристала: 256/512Кб кеш-пам'ять 2-го рівня і сам МП. На кристалі процесора розташовується 16Кб кеш 1-го рівня. У сімейство Р 6 входить МП з тактовими частотами 200, 166, 150 МГц. Продуктивність Р 6 - 200 по тесту продуктивності відповідає 366, т.e. цей МП перевершує свій аналог у RISC. Число транзисторів МП 5,5 млн. а кеш пам'яті 31 млн. При напрузі живлення близько 3В МП разом з кеш пам'яттю розсіює 14Вт. Виріб виконаний у квадратному корпусі з 387 висновками. Архітектура Р 6 дозволяє поєднувати між собою безліч МП створюючи таким чином неперевершену масштабованість. Спеціально для Р 6 Intel розробив 2 набору Мікросхема для шини PCI. Розвиток лінії Р 6 піде в напрямку збільшення тактової частоти і зниження розмірів технічних норм, а також збільшення ємність кеша 1-го рівня до 32Кб, крім того передбачається вдосконалення архітектури з урахуванням технології мультимедіа, зокрема цифрової обробки відео. Абсолютно новий і незвичайний МП Р 7, спільно розроблений Intel і HP, з'явився в 1997 році. Він підтримує довгі інструкції і має продуктивність 1 млд. MIPS.
5 Продуктивність процесорів
До недавнього часу основною мірою продуктивності МП була їх тактова частота, проте у міру ускладнення архітектури (RISC-ядро, вбудований кеш, технологія внутрішнього множення частоти) даний параметр роботи МП хоча і залишився одним з найважливіших, але вже не був визначальним. У 1992 році Intel запропонувала індекс для оцінки продуктивності своїх МП iCOMP. Індекс являє собою число, яке виражає продуктивність МП сімейства i86. Продуктивність 486SX-25 приймається за 100. При обчисленні індексу враховуються операції з наступними "зваженими" компонентами: 16-розрядні цілі 57%, 16-р речові 13%, 32-р цілих 25%, 32-р речові 5%.
Таблиця індексів iCOMP
Модель | iCOMP |
486 sx 2-50 | 180 |
486dx4-100 | 435 |
P60 | 510 |
P166 | 1308 |
6 співпроцесори
Важливою характеристикою будь-якого ПК є його швидкодія. Для ряду комп'ютерних завдань одним з найбільш критичних параметрів виступає швидкість виконання операцій з плаваючою крапкою. Навіть найпотужніші МП витрачають на такі обчислення багато часу, тому цілком логічно було створення для цього спеціальних пристроїв - Мікросхема математичного співпроцесора. До недавнього часу співпроцесор був спеціалізованою мікросхему, що працює у взаємодії з МП. Дана Мікросхема була призначена тільки для виконання мат. операцій. У всіх МП Intell від 486DX і вище співпроцесор інтегрований на кристалі МП. З іншого боку, хоча і комп'ютер визначається як "той, хто обчислює", маса сучасних програмних додатків зовсім не вимагає виконання складних мат. операцій. Якщо не торкатися спеціальних фізичних або математичних задач моделювання, можна однозначно сказати про необхідність співпроцесора для роботи з 3-хмерной графікою, видавничими пакетами, електронними таблицями і т.д. При роботі ж з БД або звичайними текстовими редакторами використання співпроцесор зовсім не обов'язково. За деякими оцінками тільки 1 / 3 користувачів ефективно використовують математичний співпроцесор.
Першим математичним співпроцесором для ПК IBM став i8087 виробництва Intell, який з'явився в 1980 році. З часом, крім суто Intell-x співпроцесорів, з'явилися співпроцесор і ряду інших фірм. CYRIX пропонував один з найшвидших співпроцесорів, заснованих на класичній архітектурі. Причому гарантувалася повна сумісність з сопроцессорами Intell. Продуктивність цієї мікросхеми трохи вище тому, що всі критичні за часом виконання операції реалізовані в даній мікросхемі з використанням жорсткої логіки (апаратний помножувач, окреме арифметико-логічний пристрій для обчислення мантиси і т.д.). Підвищення продуктивності особливо помітно при обчисленні квадратного кореня або тригонометричних функцій. Він ще й точніше Intell-го.
Weitek була заснована в 1981 році декількома інженерами, що покинули Intell. Виконання простих операцій з одинарною точністю на співпроцесор Weitek відбувається менш ніж за 200 нс., Тоді як співпроцесор, що використовує класичну архітектуру, виконує подібні операції за 1.5 мкс. Звернення до сопроцессору відбувається як би через ОЗУ. Таким чином, завантаживши операнди в область пам'яті, відповідної сопроцессору, наступною командою можна вже зчитувати результат. Застосування співпроцесора Weitek має сенс тільки тоді, коли він підтримується програмним забезпеченням. У зв'язку з цим співпроцесор Weitek знаходить достатньо обмежене застосування.
Список літератури
Уїнн Л. Рош «Біблія по технічному забезпеченню Уїнна Роша»
М.М. Щелкунов, А.П. Діанов «Мікропроцесорні засоби та системи», 1989р