Компьютерные микропроцессоры: история развития

5

5

Содержание

• Введение
• Экскурс в историю микропроцессоров
• Основные характеристики
• Технологии производства
• Первые процессоры
• Революционная "трешка"
• Революция номер раз
• "Четверка"
• Intel Pentium
• Конкуренты
• MMX и 3DNow!
• Революция номер два
• Шестое поколение
• Pentium 4
• На пути к 64-битам
• Заключение
• Список использованной литературы

Процессор (CPU - central processor unit - центральный процессор) - это один из основных компонентов твоего компьютера, его можно сравнить с мозгом. Он выполняет логические и арифметические операции над различными данными. Процессор это большая интегральная схема в едином полупроводниковом кристалле. Это означает, что на куске камня сделали много-много маленьких транзисторов, которые вместе умеют правильно и быстро считать.

Процессор, наверное, самая быстроразвивающаяся часть компьютера, с каждым годом его производительность только растет. Еще каких-то 20 лет назад люди и не могли мечтать, чтобы на их столах стоял компьютер с частотой 3ГГц.

Всевозможных процессоров существует великое множество. Мы же будем рассматривать самые популярное семейство процессоров х86, которое с 1982 года используется в персональных компьютерах. Прежде чем говорить об истории процессоров, стоит разобраться в том, из чего состоит процессор.

Самые первые электронно-вычислительные машины (ЭВМ) появились в 60 годы ХХ столетия. Сперва размеры этих машин были громоздкие и они были доступны только исследовательским центрам с огромным бюджетом. Компьютеры же, участвуя в современном сверхбыстром научно-техническом прогрессе, становятся все меньше и меньше. В настоящее время - это машины, имеющие размеры дипломата и выполняющие любые мыслимые и не мыслимые операции.

В 1945 году Джорджем фон Нейманом была представлена архитектура персонального компьютера, получившая название архитектура фон Неймана. Компьютер с такой архитектурой включал в себя блок управления, арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройство ввода-вывода. Именно на этой архитектуре, придуманной более 50 лет назад, основаны все современные персональные компьютеры. Процессор в этой архитектуре берет на себя функции АЛУ и блока управления, он выбирает команды из памяти, а затем по очереди исполняет их и результат записывает обратно в память.

Мозг компьютера - процессор - подключен к системной шине и выполняет программу, находящуюся в памяти компьютера. Программа состоит из последовательности команд. Каждая команда имеет разный размер и включает в себя не только информацию о том, что необходимо сделать, но и данные, которые нужно обработать. Поскольку все компьютеры работают с двоичными данными (нулями и единицами), то и команды и данные представляют собой набор двоичного кода.

Для того чтобы процессор мог обрабатывать большие объемы информации, было решено передавать ему команды не по одному байту, а сразу по несколько. Так было введено понятие разрядности процессора и разрядности системной шины. Если процессор способен за раз принимать по одному байту, то он называется восьмиразрядным (или восьмибитовым), если 2 байта - шестнадцатиразрядным (16 бит), если 4 байта, то процессор называют тридцатидвухразрядным (32 бита), и самые последние процессоры могут принимать сразу по 8 байт и 64 бита. Таким образом, чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может получить и обработать за один период времени, а значит, тем он быстрее. То же самое и с разрядностью системной шины, чем больше разрядность - тем больше ее пропускная способность, тем больше информации она может доставить процессору. Причем разрядность процессора и системной шины не обязательно должны совпадать.

Кроме разрядности, процессоры отличаются набором команд. Существует некий общий набор команд, которые должны уметь выполнять все процессоры семейства х86, но каждый производитель процессоров добавляет к этому списку свои специализированные команды.

И конечно, процессор характеризуется тактовой частотой. Именно этим показателем сейчас меряются производители процессоров. Тактовая частота - это интервал времени, за который процессор выполняет определенную инструкцию. Для того чтобы понять это, вернемся к операции сложения. Допустим, чтобы сложить два числа процессору нужно потратить целых три такта (выполнить три операции): выбрать команду из памяти, выполнить операцию сложения и поместить результат обратно в память. Понятно, что чем быстрее частота процессора, тем быстрее эти операции будут выполнены.

Процессор состоит из огромного числа транзисторов, связанных между собой. Транзистор - это полупроводниковый элемент, предназначенный для преобразования, усиления, перенаправления электрических сигналов. То есть, транзистор получает два каких-то сигнала, и, в зависимости от того, что он получил, выдает третий сигнал. Для изготовления транзисторов в процессоре используется кремний, как самый распространенный полупроводниковый материал на Земле. Технология производства следующая: сперва создается тонкая кремниевая пластина, которая тщательно полируется и покрывается различными химическими смесями. Затем пластину в определенных местах облучают ультрафиолетом, создавая на ней специальный рисунок. При попадании ультрафиолета на пластину слой химии выгорает, открывая доступ непосредственно к кремнию. Затем на полученную пластину наносятся зоны проводимости и непроводимости, для этого используется опять же кремний, но уже поликристаллический, а также различные оксиды и металлы. Полученная схема представляет не что иное, как огромное множество транзисторов.

Последние процессоры от Интел имеют размер транзистора всего 0,09 микрон (1 микрон = 0,001 миллиметра). Кроме того, чем меньше размер транзистора, тем меньше тепла он излучает при работе.

Итак, разобравшись с некоторыми основными свойствами процессоров, перейдем непосредственно к истории. В далеком 1971 году корпорация Intel явила миру первый микропроцессор, прадедушку того гигагерцового монстра, что стоит у тебя в компьютере. Первый микропроцессор имел индекс 4004. Это был четырехразрядный процессор, включающий в себя всего две тысячи транзисторов. Он не получил широкого распространения из-за сильно ограниченного набора команд. Затем в 1974 году появился i8080, который выпускается и используется до сих пор в различных устройствах (например в АОНах домашних телефонов), и на основе которого был выпущен популярный компьютер ZX-Spectrum. Кстати, тогда этот процессор стоил чуть меньше 200 долларов.

Сейчас самое время вспомнить о другой компании, производящей процессоры, - Advanced Micro Devices. В 1969 году AMD открыла свою первую фабрику - Fab1. В то время компания не занималась созданием собственных процессоров, а выпускала чужие процессоры со своим логотипом. В начале 70-х годов она подписала соглашение с Intel о кросс-лицензировании и начала выпускать процессор 8080A (клон 8080).

В 1978 году появился первый 16-разрядный процессор от Интел - i8086. Он включал в себя 29 тысяч транзисторов и работал на частоте 4,77 МГц. Через год Intel разработал 8-разрядный процессор i8088, на основе которого и был выпущен первый персональный компьютер от IBM. i8088 был полностью совместим с более совершенным i8086, однако использовал 8-разрядную шину (то есть принимал по 1 байту за такт) и имел ограничение в 256 Кб памяти (а на самом деле компьютеры комплектовались лишь 16 Кб). IBM было проще и дешевле разработать и наладить выпуск компьютера на основе 8-разрядной шины, поэтому появился этот процессор с урезанной шиной. В то же время компания Compaq выпустила компьютер DeskPro на основе i8086, который имел 16-битовую архитектуру и мог работать с целым мегабайтом оперативной памяти. Компьютеры от Compaq не получили большой популярности, а вот IBM PC буквально заполонили рынок персональных компьютеров. Именно на таком IBM PC впервые заработал MS-DOS. Чуть позже появились версии процессора i8088 с частотами 8 и 10 МГц. В то время Интел охотно продавала всем лицензии на производство нового процессора. Среди компаний купивших лицензии были Fujitsu, Hitachi, NEC, Siemens и другие.

И в 1980 году появился первый сопроцессор, получивший индекс i8087. Сопроцессор - это специализированный проц, работающий вместе с центральным процессором и предназначенный для выполнения операций с плавающей точкой. Такой сопроцессор был очень полезен для работы с различными электронными таблицами и математическими программами (древние аналоги Excel). Сопроцессор i8087 добавил более 60 дополнительных математических команд.

Примерно в то же время появился процессор i80186, однако дальше тестовой лаборатории компании он не вышел из-за своей несовместимости с процессором i8086.

В 1982 году, Интел анонсировала новый i80286. Он расширил набор команд процессора i8086 и имел более высокую частоту (до 20МГц!). Процессор производился по 1.5 микронной технологии и содержал около 134 тысяч транзисторов. "Двойка" могла выполнять до 2,6 млн. операций в секунду, что было довольно круто и в 1984 году. IBM начала производство компьютеров IBM PC/AT. Из радикальных изменений была разработана новая модель распределения и защиты памяти, что позволило использовать память более 1Мб, для этого процессор переводился в специальный "защищенный" (protected mode) режим работы, однако он был реализован весьма сложно и имел множество недоработок. Использование защищенного режима позволило писать многозадачные программы.

В то же время AMD начала выпуск процессора 286А, который практически ничем не отличался от оригинального i80286.

В конце 1985 года все та же Intel представила новый процессор i80386. Это был большой прорыв. Во-первых, новый процессор умел работать в 32-битном режиме, а значит, был более производительный. Во-вторых, 386-й имел нормальную поддержку "защищенного" режима и расширенный набор команд, а значит, пришло время многозадачных операционных систем. И наконец, трешка умела выполнять несколько разных задач параллельно, то есть процессор мог выполнять две идущие друг за другом команды одновременно, если они не зависят друг от друга. Процессор производился по 1-микронному техпроцессу и имел более 275 тысяч транзисторов.

Ходят слухи, что 386-й проц. был разработан раньше 286, но у Интел были какие-то трудности с его выпуском. Рынок был не готов к 32-битным процессорам. Всего Интел представила 3 разновидности своего процессора: 386DX (Double-word eXternal) настоящий 32-32-разрядный процессор с частотами от 12 до 33МГц. Этот процессор был дорог, и по просьбе IBM Интел выпустила упрощенный вариант - 386SX (Single-word eXternal). Он отличался от DX не только названием, но и урезанной шиной, всего 16 бит. Процессор имел те же частоты что и старший брат, но компьютеры на его основе производить было дешевле. И в октябре 1990 года появилась третья версия процессора - 386SL (Single-word external Laptop). Это был мобильный вариант процессора с частотами 20 и 25МГц. Впервые трешка была использована в компьютере Compaq DeskPro 386. Этим Compaq попросила потесниться лидера того времени IBM на рынке персональных компьютеров.

В то же время Intel отказала AMD в лицензии на выпуск 386 процессоров, разорвав заключенный ранее договор. AMD, естественно, подала в суд и победила. Таким образом, AMD могла выпускать полностью совместимые с Intel процессоры, и в 1991 появился Am386, точная копия i80386, только с более высокой тактовой частотой: до 40МГц. После этого было еще несколько судебных исков, во время которых AMD, фактически, выпускала процессоры без лицензии. И лишь в 1994 году суд запретил использовать AMD любые разработки Intel. Сразу после этого решения в 1995 году AMD и Intel подписывают новое соглашение, в котором AMD разрешается изготавливать и продавать 287, 386, и 486 процессоры.

На "трешку" впервые переносится операционная система UNIX, а также специально разрабатываются OS/2 и Windows.

Конечно, не обошлось без сопроцессора, он по традиции назывался i80387. Кроме Intel сопроцессоры стали производить Texas Instruments и Cyrix.

Как уже упоминалось выше, ранее процессор мог выполнять команды только последовательно. В середине 80-х годов появилась деление процессоров на CISC (Complex Instruction Set Computing - процессоры со сложным набором команд) и на RISC (Reduсed Instruction Set Computing - процессоры с сокращенным набором команд). До 386 все процессоры были основаны на архитектуре CISC. Со временем разработчики заметили, что некоторые операции, содержащиеся в сложных командах, выполняются гораздо чаще, а значит, их можно выделить в отдельные короткие команды. Так "трешка" получила в свое распоряжение дополнительный набор коротких команд, которые выполнялись за один такт процессора, в то время как на предыдущих версиях процессора для этого требовалось несколько операций, а значит, много тактов.

Кроме всего прочего, в 386-ом проце был усовершенствован конвейер выполнения команд. Суть конвейерной архитектуры заключается в том, что процессор разбит на несколько блоков, которые могут работать независимо друг от друга и одновременно выполнять операции на разных ступенях конвейера. Процессор может одновременно выбирать из памяти новую команду и в то же время производить операцию с текущей. Такая система сильно ускоряет работу CPU.

Страницы: 1, 2