Типы, структура и порядок работы микропроцессора История развития микропроцессоров

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) - i4004. Он имел разрядность данных 4 бита, способность адресовать 640 байт памяти, тактовую частоту 108 КГц и производи­тельность 0,06 MIPS. 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» - i8008, адресующий уже 16 Кбайт памяти. В 1974 году появился 8-разрядный процессор 18080, ставший весьма популярным устройством. Он уже имел частоту 2 МГц и ад­ресовал 64 Кбайт памяти. 6000 транзисторов позволила разместить 6-мкм технология изготовления. Процессор требовал трёх источни­ков питания (+5,+12,-5В) и сложной двухтактной синхронизации. На этом процессоре строились разнообразные терминалы, контрол­леры и даже первый ПК Altair. В нашей стране запоздалым эхом 8080 стали процессоры 580ИК80 и КР580ВМ80, на базе которых в начале и середине 80-х годов строилось много «самодельных» ПК.

Следующим этапом стал процессор 18085 (5МГц, 0,37 MIPS, 6500 транзисторов, 3-мкм технология). Он сохранил популярную регистро­вую архитектуру 8080 и программную совместимость, но в него доба­вили порт последовательного интерфейса, упразднили специальные ИС поддержки (тактового генератора и системного контроллера) и несколь­ко изменили внешний интерфейс. Очень важной особенностью для раз­работчиков стало только одно питающее напряжение +5 В.

Вариацию на тему 8080 и 8085 представляет процессор Z80 фирмы Zilog. Сохранив программную совместимость с 8080, в него ввели -дополнительные регистры. Результат оказался впечат­ляющим - еще недавно популярные компьютеры Sinclair, по­строенные на Z80, демонстрировали на играх графику, не усту­пающую ПК на 16-разрядном процессоре 286.

Первый 16-разрядный процессор 8086 фирма Intel выпусти­ла в 1978 году. 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 080, но прослеживались общие идеи. Через год появился 8088 - тот же процессор, но с 8-биткой 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 фирмами и энтузиастами - одиночками. Технический прогресс требовал и требует развития процессоров, 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.

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

Класс 32-разрядных процессоров был открыт в 1985 году моделью 80386 (275 тыс. транзисторов, 1,5мкм). Разрядность шины данных (как и внутренних регистров) достигла 32 бит, адресуемая физическая память - 4 Гбайт. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищённый режим, появилось страничное управление памятью. Процессор нашёл широкое применение в PC, 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 ПО реагируют выпуском новых программных 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 расслабляют разработчиков программного обеспечения, не принуждая его напрягаться в поисках более эффективных способов решения задачи. Примером эффективного программирования можно считать игрушки на Sinclair ZX-Spectrum, которые реализуются на «игрушечных» ресурсах - 8-битовом процессоре и 64 (128) Кбайт ОЗУ. С противоположными примерами большинство пользователей сталкиваются регулярно.

История процессора 386 напоминает историю 8086: первую модель с 2-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 486 DX появился в 1989 году. 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 х87 сопроцессоров). Кроме того, для повышения произ­водительности в этом CISC-процессоре (как и в последующих) приме­нено RISC-ядро. Далее появились его разновидности, сличающиеся наличием или отсутствием сопроцессора, применением внутреннего умножения частоты, политикой записи КЭШа и другими. Занялись энер­госбережением (появился режим SMM), что отразилось и в продолже­нии линии 386 процессоров (появился процессор 386SL).

В 1993 году появились первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц - 32-разряные процессоры с 64-битной шиной дан­ных. Транзисторов 3,1 млн., технология 0,8 мкм, питание 5 В. От 486 принципиально отличается суперскалярной архитектурой - способ­ностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций (что, конечно, не означает возможности прохождения инструкции через процессор за пол такта или один такт). Интерес к процессору со стороны производителей и покупателей сдерживался его очень высокой ценой. Кроме того, возник скандал с обнаруженной ошибкой сопроцессора. Хотя фирма Intel математически обосновала не­высокую вероятность её проявления, она всё-таки пошла на бес­платную замену уже проданных процессоров на исправленные.

Процессоры Pentium с частотой 75,9 и 100 МГц, появившиеся в 1994году, представили уже второе поколение этих процессоров. При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого по­коления 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 второго поколения стали весьма популярными. В 1995 году появились процессоры на 120 и 133 МГц, выполненные уже по технологии 0,6 мкм. 1996-й называют годом Pentium - появились процессоры на 150, 166, 200 МГц Pentium стал рядовым процессором для ПК широкого применения.

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

Вначале 1997 года появились процессоры Pentium MMX. Расши­рение ММХ предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорять выполне­ние мультимедийных приложений, в частности операции с изобра­жениями и обработку сигналов. Её эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обра­ботки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Эти процессоры по сравнению с обычным Pentium имеют удвоенный объём первичного КЭШа и некоторые эле­менты архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производительность Pentium ММХ и на обычных приложениях. Такие процессоры имеют 4,5 млн. транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм. Тактовая частота 166,200,233 МГц.

В результате объединения технологии ММХ с архитектурой Pentium Pro в мае 1997 года появился процессор Pentium II. Новшества в основном определяются более высокой миниатюризацией, поддерж­кой ММХ, более высокой тактовой частотой ядра (233, 266, 300 МГц), размещением кэш второго уровня в виде отдельного картриджа.

Последним представителем семейства процессоров Intel являет­ся Pentium III, 4 характеризующиеся ещё более высокой тактовой частотой и рядом других доработок. Pentium III — новейший микропроцессор Intel, анонсированный в 1999 году. Обладает дополнительной системой команд SSE, оптимизированной для работы с мультимедиа. Pentium 4 — первый процессор Intel седьмого поколения (кодовое название Willamette), созданный на базе новой 32-разрядной микроархитектуры. Этот процессор характеризуется суперскалярной технологией, быстродействующим ассоциативным КЭШем и системной шиной с частотой 400 МГц. Благодаря четырехкратной передаче данных по одному каналу системная шина позволяет достичь скорости передачи данных 3,2 Гбайт/с. Процессор содержит расширенный передаточный кэш объемом 256 Кбайт и встроенную кэш-память второго уровня, имеющую более высокую по сравнению с предыдущей микроархитектурой пропускную способность. Использование 128-разрядных регистров и дополнительного регистра для перемещения данных позволило улучшить модули, осуществляющие операции с плавающей запятой. Кроме того, поддерживается технология SSE2, содержащая 144 новых команды для выполнения операций с удвоенной точностью над целыми числами и числами с плавающей запятой, а также для управления памятью.

Перечисленными моделями не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments и другие) имеют разработки, существенно отличающиеся от данного семейства. Есть другие процессоры и у Intel. Однако применение- перечисленных процессоров в персональных компьютерах обусловило их широкое распространение.

Процессоры, совместимые с семейством х86, выпускаются не только фирмой Intel. Традиционный конкурент - AMD - выпускает совместимые процессоры обычно несколько позже, но заметно дешевле, иногда по ряду технических свойств они даже опережают аналогичные процессоры Intel. Фирма Cyrix славится своими быстрыми сопроцессорами. Однако для процессоров, предназначенных для применения в ПК, все они в той или иной степени стремятся к совместимости с изделиями Intel.