1.2.1 Краткий исторический обзор развития.

В однокристальных МП с фиксированным набором команд и программным управлением сигналы управления внутренними узлами и элементами МП вырабатываются специальными схемами, расположенными на том же кристалле.

Следствием этого является относительно высокое быстродействие МП указанного класса, однако ограниченная площадь кристалла МП не позволяет реализовать большой набор команд и, кроме того, - вносить какие-либо изменения или дополнения в список команд.

В развитии МПС первого класса выделяют семь поколений (рис.1.2).

История МПС с однокристальными МП начинается с 1971 года, когда фирма Intel объявила о выпуске первого в мире МП -i4004, основными характеристиками которого, да и всех МП 1-го поколения, являются:

- р-канальная МОП-технология;

- 4-разрядные внутренние узлы;

- маломощный, фиксированный набор команд;

- отсутствие системы прерываний;

- неразделенные шины адреса и данных;

- низкая тактовая частота (750 кГц).

Реализация последующих проектов фирмы Intel по разработке однокристальных микропроцессоров 2-ого поколения (i4040, i8008) определила наступление эры персональных компьютеров (ПК). Наиболее успешным был проект разработки МП i8080 (1974 г.) , на основе которого был создан один из первых ПК .Альтаир..

Характерными признаками МП 2-го поколения являются:

- более передовая n-канальная МОП- технология;

- повышение быстродействия на порядок;

- разделение шин адреса и данных;

- реализация различных способов адресации;

- наличие системы прерываний;

- расширенный набор команд.

К типичным представителям МП 2-ого поколения относятся также: Z80 CPU фирмы Zilog (США,1976г.) и КР580ВМ80 - отечественный аналог МП i8080 (1975г.).

Начиная с 1978 года стали появляться более мощные и современные 16-разрядные МП 3-его поколения, реализованные по n-канальной МОП-технологии с высокой степенью интеграции (~ 29000 транзисторов на кристалле).

Рис.1.2.

К 3-ему поколению относятся МП типов: i8086/8088 (США); Z8000-Zilog (США); МС6800-Мotorola (США); К1810ВМ86 - отечественный аналог МП i8086.

Отличительными особенностями МП этого поколения являются (рассматриваем на примере i8086):

- увеличение в два раза количества внутренних регистров и их разрядности, что дало возможность увеличить производительность МП в 10 раз по сравнению с МП 2-ого поколения;

- адресная шина увеличена до 20 бит, что позволило непосредственно адресовать 1 МБ оперативной памяти;

- более широкий набор команд;

- тактовая частота 5-8 МГц;

- производительность 0,33 MIPS ( Million Instruction Per Second- миллион инструкций в секунду).

Впервые были представлены также и специализированные процессоры (сопроцессоры) для выполнения специализированных операций: арифметический сопроцессор для выполнения операций с плавающей точкой . i8087, сопроцессор ввода-вывода . i8089.

Микропроцессор i80286 , выпущенный фирмой Intel в 1982 году, является переходным от 16-разрядных МП 3-его поколения к 32-разрядным МП 4-ого поколения . На кристалле данного МП было реализовано около 130 тысяч транзисторов.

Наряду с увеличением производительности, этот МП мог работать в двух режимах: реальном и защищенном. Если первый режим был вполне похож на режим работы обычного i8086/88, то второй уже позволял работать с памятью свыше 1 МБ, реализовывать мультизадачность. Этот МП имеет 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. При тактовой частоте 8 МГц достигнута производительность 1,2 MIPS.

Четвертое поколение 32-разрадных МП появилось в середине 80-х годов, к нему относятся МП i80386 (1985г.), который впоследствии получил название i80386 DX.

Характерные особенности МП 4-ого поколения:

полностью 32-разрядная архитектура (шины данных и адреса, внутренние узлы МП);

наличие специального устройства управления памятью, которое позволило не только реализовать механизм сегментации памяти, но и легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое (свопинг) и освобождать драгоценные килобайты памяти;

наличие внутренней сверхоперативной КЭШ-памяти (16 байт у МП i80386), обладающей значительно более высоким быстродействием по сравнению с основной памятью. Ускорение выполнения программ с использованием КЭШ-памяти достигается благодаря тому, что в нее записываются наиболее часто адресуемые команды и данные.

Первые 32-разрядные МП производились по n-МОП или КМОП технологиям и содержали 200 тыс. транзисторов на кристалле, имели тактовую частотe 16-40 Мгц, быстродействие - примерно 6 MIPS.

В 1989 году фирма Intel представила МП 486 DX, который содержал около 1,2 млн. транзисторов на кристалле. Новая микросхема объединила на одном чипе такие устройства, как центральный процессор, математический сопроцессор и КЭШ-память, объем которой увеличен до 8 Кбайт. На тактовой частоте 25 Мгц МП показал производительность 16,5 MIPS.

В марте 1992 года фирма Intel объявила о создании второго поколения МП 486, названных i486 DX/2, в котором повышена в два раза скорость работы внутренних блоков МП (66 МГц) по сравнению с остальной частью системы (33 МГц).

В марте 1993 года, т.е. ровно через год, фирма Intel начала промышленный выпуск 60 и 66-мегагерцовых версий МП пятого поколения - Pentium.

Новая микросхема содержала около 3,1 млн. транзисторов и имела 32-разрядную адресную и 64-разрядную шину данных. Pentium с тактовой частотой 66 МГц показал производительность около 112 MIPS.

Более высокая производительность процессора Pentium достигнута развитием так называемого конвейерного режима, предполагающего считывание новых команд во время выполнения старых. Процессор может выполнять одновременно две команды. Новым средством процессора явилось предсказание переходов в процессе выполнения команд. Предусмотрены также два буфера предвыборки, в которые команды считываются до их фактического выполнения.

Pentium, в отличие от CPU 486, имеет два раздельных 8-кбайтовых КЭШа: один для команд, один для данных. Также процессор оборудован более совершенным сопроцессором, дающим трех- четырехкратный выигрыш по скорости выполнения операций по сравнению с сопроцессором CPU 486.