Процесори

Історія розвитку

Історія процесорів почалася в 1979 році, коли фірма Intel випустила перший мікропроцесор i4004. Він мав розрядність даних 4 біта, спроможність адресувати 640 байт пам'яті, тактову частоту 108 кГц і продуктивність 0.06 MIPS. Такий процесор вже міг працювати в якості обчислювального ядра калькулятора. Він містив 2300 транзисторів і виконувався по технології з дозволом 10 мкм. Через рік з'явився його 8-бітний "родич" - i8008, адресою вже 16 Кб пам'яті.

У 1974 році з'явився 8-розрядний процесор i8080, що став вельми популярним пристроєм. Він вже мав частоту 2 МГц і адресував 64 Кб пам'яті. 6000 транзисторів дозволила розмістити 6-мкм технологія виготовлення. Процесор вимагав трьох джерел харчування (+5 В, +12 В і-5В) і складною двох контактної синхронізації. На цьому процесорі будувалися різноманітні термінали, контролери і навіть перший ПК Altair. У нашій країні запізнілим відлунням 8086 стали процесори 580ИК80 і КР580ВМ80, на базі яких на початку та в середині 80-их років будувалося багато "саморобний" ПК.

Наступним етапом став процесор i8085 (5 МГц, 0.37 MIPS, 6500 транзисторів, 3-мкм технологія). Він зберіг популярну реєстрову архітектуру 8080 і програмну сумісність, але в нього додався порт послідовного інтерфейсу, скасували спеціальні ІС підтримки (тактового генератора і системного контролера) і дещо змінили зовнішній інтерфейс. Головним подарунком розробникам апаратури стало одне напругу живлення 5 В.

Варіації на тему 8080 і 8085 представляє процесор Z80 фірми Zilog. Зберігши програмну сумісність з 8080, в нього ввели додаткові регістри, що дозволило істотно підвищити продуктивність. Результат виявився вражаючим - ще недавно популярні комп'ютери Sinclair, побудовані на Z80, демонстрували на іграх графіком, не поступається PC на 16-розрядному процесорі 286.

Перший 16-розрядний процесор 8086 фірма Intel випустила в 1978 році. Частота 5 МГц, продуктивність 0.33 MIPS, але інструкції вже з 16-бітними операндами (пізніше з'явилися процесори 8 і 10 МГц). Технологія 3 мкм, 29 тис. транзисторів. Адресуемая пам'ять 1 Мб. Реєстрова архітектура і система команд істотно відрізнялася від 8080, але природно простежуються загальні ідеї. Через рік з'явився 8088 - той же процесор, але з 8-бітної шиною даних. З нього почалася історія IBM PC, наклали свій відбиток на подальший розвиток цієї лінії процесорів Intel. Масове поширення і відкритість архітектури PC прищепили до лавиноподібного появі програмного забезпечення, що розробляється великими, середніми і дрібними фірмами і ентузіастами-одинаками. Технічний вимагав (і зараз вимагає) розвитку процесорів, але вантаж програмного забезпечення PC, яке повинне працювати і на більш нових процесорах, в свою чергу вимагав зворотного програмної сумісності. Таким чином, всі нововведення в архітектурі наступних процесорів повинні були пристроюватися до існуючого ядра. А тут ще сама архітектура PC "підкинула", наприклад, складності з використанням вектора переривань. Фірма Intel зарезервувала перші 32 вектору "для службового користування", однак на них "наїхали" переривання BIOS PC. Один з результатів - додатковий спосіб обробки винятків співпроцесора, застосовувана в старших моделях PC.

Процесор 80286, заміняє наступний етап архітектури, з'явився тільки в 1982 році. Він вже мав 134 тис. транзисторів (технологія 1.5 мкм) і адресував до 16 Мб фізичної пам'яті. Його принципове нововведення - захищений режим і віртуальна пам'ять розміром до 1 Гб - не знайшли масового застосування, процесор більшою частиною використовувався як дуже швидкий 8088.

Клас 32-розрядних процесорів був відкритий в 1985 році моделлю 80386 (275 тис. транзисторів, 1,5 мкм). Розрядність шини даних (як і внутрішніх регістрів) досягла 23 біт, адресується фізична пам'ять - 4 Гб. З'явилися нові регістри, нові 32-бітні операції, істотно доопрацьований захищений режим, з'явився режим V86, сторінкове управління пам'яттю. Процесор знайшов широке застосування в PC, і на благодатному грунті його властивостей став розростатися "найбільший вірус" - MS Windows з додатками. З цього часу стала помітна тенденція "Позитивного зворотного зв'язку": на появу нового процесора виробники ПЗ реагують випуском нових привабливих продуктів, наступним версіям яких стає явно тісно в рамках цього процесора. З'являється більше продуктивний процесор, але після нетривалого захоплення і його ресурси швидко "з'їдають" і т. д. Це "вічне" рух, звичайно, природно, але є обгрунтована підозра, що великі ресурси розбещують (або, принаймні, розслаблюють) розробника ПО, не змушуючи його напружуватися в пошуках більш ефективних способів вирішення задачі. Прикладом ефективного програмування можна вважати іграшки на Sinclair ZX-Spectrum, які реалізуються на іграшкових ресурсах - 8-бітному процесорі і 64 (128) Кбайт ОЗУ. З протилежними прикладами більшість користувачів PC стикаються регулярно, але з процесором Pentium 200 і 32 Мб ОЗП на них не завжди звертають увагу.

Історія процесора 386 нагадує історію 8086: першу модель з 32 бітної шиною даних (згодом названою 386DX) змінив 386 SX з 16 бітної шиною. Він досить легко вписувався в архітектуру PC AT, раніше базувалася на процесорі 286.

Процесор Intel486DX з'явився в 1989 році. Транзистори -1,2 млн., технологія 1 мкм. Від 386-го істотно відрізняється розміщенням на кристалі первинного кеша і вбудованого математичного співпроцесора (попередні процесори мали можливість використання зовнішніх x87 співпроцесорів). Крім того, для підвищення продуктивності в цьому CISC-процесорі (як і в наступних) застосоване RISC-ядро. Далі з'явилися його різновиди, що відрізняються наявністю або відсутністю співпроцесор, застосуванням внутрішнього множення частоти, політикою запису кеша і іншими. Зайнялися енергозбереженням (з'явився режим SMM), що відбилося і в продовженні лінії процесорів 386 (з'явився процесор Intel386SL).

У 19993 році з'явилися перші процесори Pentium частотою 60 і 66 МГц - 32 розрядні процесори з 64-бітної шиною даних. Транзисторів 3,1 млн, технологія 0,8 мкм, живлення 5 В. Від 486-го його принципово відрізняється суперскалярної архітектурою - Спроможністю за один такт випускати з конвейєрів до двох інструкцій (що, звичайно не означає можливість проходження інструкцій через процесор за полтакта, або один такт). Інтерес до процесора з боку виробників і покупців PC стримувався його дуже високою ціною. Крім того, виник скандал з виявленням помилки співпроцесора. Хоча фірма Intel математично обгрунтувала не високу імовірність її прояви (раз на кілька років), вона все-таки пішла на безкоштовну заміну вже проданих процесорів на виправлені.

Процесори Pentium з частотою 75, 90 і 100МГц, що з'явилися в 1994 році, представили вже друге покоління процесорів Pentium. При майже тому же числі транзисторів вони виконувалися за технологією 0,6 мкм, що дозволило знизити споживану потужність. Від першого покоління вони відрізнялися внутрішньому множенням частоти, підтримкою мультипроцесорних конфігурацій і мали інший тип корпуса. З'явилися версії (75 МГц в мініатюрному корпусі) для мобільних застосувань (блокнотние ПК). Процесори Pentium другого покоління стали досить популярні в PC. У 1995 році з'явилися процесори на 120 і 133 МГц, виконані вже за технологією 0,35 мкм (перші процесори на 120 МГц робилися ще за технологією 0,6 мкм). 1996-й називають роком Pentium-з'явилися процесори на 150, 166 і 200 МГц, і Pentium став рядовим процесором для PC широкого застосування.

Паралельно з Pentium розвинувся і процесор Pentium Pro, що відрізнявся нововведеннями "Динамічного виконання інструкцій". Крім того, в його корпусі розмістили і вторинний кеш, для початку об'ємом 256 Кб. Однак на 16-бітних програмах, а також в середовищі Windows 95 його застосування на дає переваг. Процесор містить 5,5 млн транзисторів ядра, і 15,5 млн транзисторів для вторинного кеша обсягом 256 Кб. Перший процесор з частотою 150 МГц з'явився на початку 1995 року (технологія 0,6 мкм), а вже в кінці року з'явилися процесори з частотою 166, 180, 200 МГц (технологія 0,35 мкм), у яких кеш досягав 512 Кб.

Після довгих обіцянок на початку 1997 року з'явилися процесори Pentium MMX. Розширення ММХ припускає паралельну обробку групи операндів однією інструкцією. Технологія ММХ покликана прискорювати виконання мультимедійних додатків, в Зокрема операції з зображеннями і обробку сигналів. Її ефективність викликає суперечки в середовищі розробників, оскільки виграш в самих операціях обробки компенсується програшем на додаткових операціях упаковки-розпакування. Крім того обмежена розрядність ставить під сумнів застосування ММХ в декодери MPEG-2, в яких вимагається обробка 80-бітових операндів. Крім розширення ММХ ці процесори, у порівнянні зі звичайним Pentium, мають подвоєний обсяг первинного кеша, і деякі елементи архітектури, запозичені у Pentium Pr, що підвищує продуктивність процесора Pentium ММХ і на звичайних додатках. Процесори Pentium ММХ мають 4,5 млн транзисторів і виконані по технології -, 35 мкм. Станом на червень 1997 є процесори з тактовими частотами 166, 200 і 233 МГц.

Технологія ММХ була з'єднана з архітектурою Pentium Pro - і в травні 1997 року з'явився процесор Pentium II. Він являє собою злегка урізаний варіант ядра Pentium Pro з більш високою внутрішньою тактовою частотою, в яку внесли підтримку ММХ. Труднощі розміщення вторинного кеша в одному корпусі з процесором подолали нехитрим способом - кристал з ядром процесора і набір кристалів статичної пам'яті і додаткових схем, що реалізують вторинний кеш, розмістили на невеликій друкарській платі-картриджі. Всі кристали закриті загальною спеціальною кришкою і охолоджуються спеціальним вентилятором. Тактові частоти ядра - 233, 266 і 300 МГц.

Звичайно ж, перерахованим моделями не вичерпується весь світовий асортимент мікропроцесорів. Це тільки представники сімейства процесорів, що мають узагальнена назва х86. Ряд фірм (DEC? Motorola, Texas Instruments та інші) маю розробки, що істотно відрізняються від даного сімейства; є інші класи процесорів і в Intel. Серед них є набагато більш потужні процесори що відносяться, до таких класів як RISC, так і CISC архітектуру. Однак процесори Pentium особливо з підтримкою ММХ, мають найскладнішу у світі систему команд.

Процесори, сумісні із сімейством х86, випускаються не тільки фірмою Intel. Традиційний конкурент - AMD - випускає сумісні процесори звичайного трохи пізніше, але помітно дешевше, іноді по ряду технічних властивостей вони навіть випереджають аналогічні процесори Intel. Фірма Cyrix славиться своїми швидкими сопроцессорами.

Система команд процесора

Як вже згадувалося вище, за системою команд і архітектурі розрізняються процесори RISC і CISC.

RISC - Reduced (Restricted) Instruction Set Computer - процесори (комп'ютери) з скороченою системою команд. Ці процесори зазвичай мають набір однорідних регістрів універсального призначення, і їх система команд відрізняється відносною простотою. У результаті апаратна реалізація такої архітектури дозволяє з невеликими витратами виконати за мінімальний (в межах 1) число тактів синхронізації.

CISC - Complete Instruction Set Computer - процесори (комп'ютери) з повним набором інструкцій, до яких і відноситься сімейство х86. Склад і призначення їх регістрів істотно не однорідні, широкий набір ускладнює декодування інструкцій, на що витрачаються апаратні ресурси. Зростає і число тактів необхідне для виконання інструкцій.

У процесорах розглянутого сімейства, починаючи з 486-го, застосовується комбінована архітектура - CISC-процесор має RISC-ядро.

Сімейство 80х86 фірми Intel почалося з 16-розрядного процесора 8086. Всі старші моделі процесорів, у тому числі 32-розрядні (386-й, 486-й, Pentium, Pentium Pro) і з 64-розрядних розширенням ММХ, включають в себе підмножина системи команд і архітектури нижчестоящих моделей, забезпечуючи сумісність з раніше написаним ПЗ.

Математичний співпроцесор 8087

співпроцесор 8087, офіційно (фірмою Intel) званий NPX (Numeric Processor eXtension), призначений для розширення обчислювальних можливостей центрального процесора (CPU) 8086/8088, 80186/80188. Його застосування до системи команд 8086 додається 68 мнемонік, що включають арифметичні, тригонометричні, експоненціальні і логарифмічні.

Процесор 80286

Процесор 80286, випущений в 1982 році, представляє друге покоління 16-розрядних процесорів. Він має спеціальні засоби для роботи в багатокористувацьких і багатозадачних системах. Найбільш істотною відмінністю від 8086/88 є механізм управління адресації пам'яті, який забезпечує чотирьохрівневий систему захисту і підтримки віртуальної пам'яті. Спеціальні засоби призначені для підтримки механізму перемикання завдань (Task switching). Процесор має розширену систему команд, яка крім команд управління захистом включає всі команди 8086 н і кілька нових команд загального призначення. Процесор може працювати в двох режимах:

8086 Real Address Mode - режим реальної адресації (або просто реальний режим - Real Mode), повністю сумісний з 8086. У цьому режимі можлива адресація до 1 Мбайт фізичної пам'яті (насправді, за рахунок "вдалою" помилки, майже на 64 Кб більше).

Protect Virtual Address Mode - захищений режим віртуальної адресації (або просто захищений режим - Protect Mode). У цьому режимі процесор дозволяє адресувати до 16 Мбайт фізичної пам'яті, через які при використанні сторінкової адресації можуть відображатися до 1 Гб віртуальної пам'яті кожного завдання. Система команд в цьому режимі також включає набір команд 8086, розширений для забезпечення апаратної реалізації функцій супервізора багатозадачного ОС і віртуальної пам'яті. Переключення в захищений режим здійснюється однією командою (з попередньо підготовленими таблицями дескрипторів) досить швидко. Зворотне перемикання в реальний режим можливо тільки через апаратний скидання процесора.

Процесор 80386

Історія 32-розрядних процесорів почалася з процесора Intel386. Ці процесора увібрали в себе всі властивості своїх 16-розрядних попередників 8086/88 і 80286 для забезпечення програмної сумісності з величезним обсягом раніше написаного ПЗ. Однак у них за сучасними мірками подолано дуже жорстке обмеження на довжину безперервного сегменту пам'яті - 64 Кб. У захищеному режимі 32-бітових процесорів воно відсунулося до 4 Гб - межі фізично адресується пам'яті, що како-то час можна вважати "майже нескінченністю". Всі ці процесори мають підтримку віртуальної пам'яті об'ємом до 64 Тб, вбудований блок керування пам'яттю підтримує механізми сегментації і сторінкової трансляції адрес (Paging). Процесори забезпечують чотирьохрівневої системи захисту пам'яті та вводу-виводу, перемикання завдань. Вони мають розширену систему команд, що включає всі команди 8086, 80286

Процесор 80486

У 1989 р. фірма Intel випустила мікропроцесор Intel-80486. Усі процесори сімейства 486 мають 32-розрядну архітектуру, внутрішню кеш-пам'ять 8 КВ з наскрізною записом (у DX4 -16 КВ). Моделі SX не мають вбудованого співпроцесора. Моделі DX2 реалізують механізм внутрішнього подвоєння частоти (наприклад, процесор 486DX2-66 встановлюється на 33-мегагерцовим системну плату), що дозволяє підняти швидкодію практично в два рази, тому що ефективність кешування внутрішньої кеш-пам'яті складає майже 90 відсотків. Процесори сімейства DX4 -- 486DX4-75 і 486DX4-100 призначені для установки на 25-ти і 33-мегагерцовим плати. По продуктивності вони займають нішу між DX2-66 і Pentium-60/66, причому швидкодію комп'ютерів на 486DX4-100 впритул наближається до показниками Pentium 60. Напруга живлення становить 3,3 вольта, тобто їх не можна встановлювати на звичайні системні плати. Процесор 486DX4-75 призначений, насамперед, для використання до комп'ютерів типу Notebook, а 486DX4-100 - в настільних системах.

Процесор Pentium

У 1993 р. Intel анонсувала про нове дітище - процесорі Pentium. Процесор Pentium є одним з найпотужніших в даний час. Він відноситься до процесорів з повним набором команд, хоча його ядро має ризик-архітектуру. Це 64-розрядний суперскалярної процесор (тобто виконує більше однієї команди за цикл), має 16 КВ внутрішньої кеш-пам'яті - по 8 КВ окремо для даних і команд, вбудований співпроцесор. Кілька слів про процесори сімейства OverDrive.В основному це процесори з внутрішнім подвоєнням частоти, призначені для заміни процесорів SX. Що стосується широко разрекламірованного свого часу процесора OverDrive на основі Pentium (так званий P24T або Pentium SX), то терміни його випуску неодноразово зривалися. забезпеченням процесори Pentium не досягають максимальної швидкодії, фірма Intel для оцінки продуктивності своїх процесорів запропонувала спеціальний індекс - iCOMP (Intel COmparative Microprocessor Performance), який, на її думку, більш точно відображає зростання продуктивності при перехід до нового покоління процесорів (деякі з випущених вже моделей комп'ютерів на основі Pentium при виконанні певних програм демонструють навіть меншу швидкодію, ніж комп'ютери на основі 486DX2-66, це пов'язано як з недоліками конкретних системних плат, так і з не Літви програмних кодів).

Розширення ММХ

Розширення ММХ орієнтовано на мультимедійне, 2D та 3D-графічний та комунікаційне застосування. Основна ідея розширення MMX полягає в одночасній обробки кількох елементів даних за одну інструкцію - так звана технологія SIMD (single Instruction - Multiple Data).

Розширення ММХ використовує нові типи упакованих 64-бітових даних:

упаковані байти (Packed byte) - вісім байт;

упаковані слова (Packed word) - чотири слова;

упаковані подвійні слова (Packed doubleword) - два подвійних слова;

учетверенное слово (Quadword) - одне слово.

Ці типи даних можуть спеціальним чином оброблятися в регістрах ММХ0-ММХ7, що представляють собою молодші біти стека 80-бітових регістрів FPU. Як і регістри FPU, ці регістри не можуть використовуватися для адресації пам'яті, збіг регістрів FPU і ММХ накладає обмеження на чергування кодів FPU і ММХ - турбота про їхнє незалежності лежить на програмістів додатків ММХ.

Ще один особливість технології ММХ - підтримка арифметики з насиченням (saturating arithmetic). Її відмінність від звичайної арифметики з циклічним переповненням (wraparound mode) полягає в тому, що при виникненні переповнення в результаті фіксується максимальне можливе значення для використовуваного типу даних, а перенесення ігнорується. У разі антіпереполненія в результаті фіксується мінімальне можливе значення. Граничні значення визначаються типом (знакові або беззнакові) і розрядністю змінних. Такий режим обчислень актуальне, наприклад, для обчислення квітів у графіку.

У систему команд введено 57 додаткових інструкцій для одночасної обробки декількох одиниць даних. Одночасно обробляється 64-бітове слово може містити як одну одиницю обробки, так і 8 однобайтних, 4 двухбайтних або 2 четирехбайтних операнда. Нові інструкції включають наступні групи:

арифметичні (Arithmetic Instructions), що включають додавання і віднімання в різних режимах, множення і комбінацію множення і складання;

порівняння (Comparison Instructions) елементів даних на рівність або за величиною;

перетворення форматів (Conversion Instructions);

логічні (Logical Instructions) - І, І-НІ, АБО і виключає Або, що виконуються над 64-бітними операндами;

зрушення (Shift Instructions) - логічні і арифметичні;

пересилання даних (Data Transfer Instructions) між регістрами ММХ і цілочисельними регістрами або пам'яттю;

очищення ММХ (Empty MMX State) - встановлення ознак порожніх регістрів в слові тегів.

Список літератури

Уїнн Л. Рош. ЕОМ та мікропроцесорна техніка,-М., 1998

Пятібаров В.В. Пристрій процесора// Комп'ютер прес, 1997., № 5

мішаній К.А. Процесор зсередини// Комп'ютер прес, 1998., № 2,3

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://referat2000.bizforum.ru/