Характеристика, классификация и принцип работы центральных процессоров

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Современные центральные процессоры (ЦП), выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 60-х годах XX века. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

1. История

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом затронувшим период с 40-х по конец 50-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 50-х до середины 60-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 60-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы -- элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора -- микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 70-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора -- микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-х разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции. Надо сказать, что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.

2. Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.

Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

Этапы цикла выполнения:

ь Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;

ь Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;

ь Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;

ь Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;

ь Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода -- тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Работа большинства современных микропроцессоров для персональных компьютеров основана на версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретенного Джоном фон Нейманом. Рассмотрим важнейшие этапы этого процесса (рисунок 1).

Рисунок 1 - Циклический процесс последовательной обработки информации

тактовый процессор компьютер

Конкретный набор компонент, входящих в данный компьютер, называется его конфигурацией. Минимальная конфигурация ПК необходимая для его работы включает в себя системный блок (там находятся МП, ОП, ПЗУ, НЖМД), клавиатуру (как устройство ввода информации) и монитор (как устройство вывода информации).

Рисунок 2 - Минимальная конфигурация ПК

Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

· получение и декодирование инструкции (Fetch),

· адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access),

· выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation),

· сохранение результата операции (Store).

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

1. простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (например, адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);

2. ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд);

3. очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)

Суперскалярная архитектура.

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.

CISC-процессоры.

Complex Instruction Set Computing -- вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intelx86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

Reduced Instruction Set Computing (technology) -- вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Minimum Instruction Set Computing -- вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится настековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

ARM (Advanced RISC Machine, усовершенствованная RISC-машина) -- семейство лицензируемых 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited. Процессоры ARM широко используются в потребительской электронике -- в том числе КПК, мобильных телефонах, цифровых носителях и плеерах, портативных игровых консолях, калькуляторах и компьютерных периферийных устройствах, таких, как жесткие диски или маршрутизаторы. Эти процессоры имеют низкое энергопотребление, поэтому находят широкое применение во встраиваемых системах и преобладают на рынке мобильных устройств, для которых данный фактор немаловажен.

Архитектура ARM обладает следующими особенностями RISC:

· Архитектура загрузки/хранения

· Нет поддержки нелинейного (не выровненного по словам) доступа к памяти (теперь поддерживается в процессорах ARMv6, за некоторыми исключениями, и полностью в ARMv7)

· Равномерный 16х32-битный регистровый файл

· Фиксированная длина команд (32 бит) для упрощения декодирования за счет снижения плотности кода. Позднее режим Thumb повысил плотность кода.

· Одноцикловое исполнение

Чтобы компенсировать простой дизайн, в сравнении с современными процессорами на тот момент вроде Intel 80286 или Motorola 68020 были использованы некоторые особенности дизайна:

· Арифметические инструкции заменяют условные коды, только когда это необходимо.

· 32-битное многорегистровое циклическое сдвиговое устройство, которое может быть использовано без потерь производительности в большинстве арифметических инструкций и адресных расчетов.

· Мощные индексированные адресные режимы.

· Регистр ссылок для быстрого вызова функций листьев.

· Простые, но быстрые, с двумя уровнями приоритетов подсистемы прерываний с включенными банками регистров.

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):

· SISD -- один поток команд, один поток данных;

Рисунок 3 - параллельная архитектура SISD

В настоящее время практически все высокопроизводительные системы имеют более одного центрального процессора, однако каждый из них выполняет несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы комплексами SISD-систем, действующих на разных пространствах данных.

Для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. В случае векторных систем векторный поток данных следует рассматривать как поток из одиночных неделимых векторов.

Примерами компьютеров с архитектурой SISD могут служить большинство рабочих станций Compaq, Hewlett-Packard и Sun Microsystems.

· SIMD -- один поток команд, много потоков данных;

Рисунок 4 - Параллельная архитектура SIМD

Другим подклассом SIMD-систем являются векторные компьютеры. Векторные компьютеры манипулируют массивами сходных данных подобно тому, как скалярные машины обрабатывают отдельные элементы таких массивов. Это делается за счет использования специально сконструированных векторных центральных процессоров. Когда данные обрабатываются посредством векторных модулей, результаты могут быть выданы на один, два или три такта частотогенератора (такт частотогенератора является основным временным параметром системы). При работе в векторном режиме векторные процессоры обрабатывают данные практически параллельно, что делает их в несколько раз более быстрыми, чем при работе в скалярном режиме. Примерами систем подобного типа являются, например, компьютеры Hitachi S3600.

· MISD -- много потоков команд, один поток данных;

Рисунок 5 - Параллельная архитектура MISD

Теоретически в этом типе машин множество инструкций должно выполняться над единственным потоком данных. До сих пор ни одной реальной машины, попадающей в данный класс, создано не было. В качестве аналога работы такой системы, по-видимому, можно рассматривать работу банка. С любого терминала можно подать команду и что-то сделать с имеющимся банком данных. Поскольку база данных одна, а команд много, мы имеем дело с множественным потоком команд и одиночным потоком данных.

· MIMD -- много потоков команд, много потоков данных.

Рисунок 6 - Параллельная архитектура MIМD

В отличие от упомянутых выше многопроцессорных SISD-машин, команды и данные связаны, потому что они представляют различные части одной и той же задачи. Например, MIMD-системы могут параллельно выполнять множество подзадач с целью сокращения времени выполнения основной задачи.

Большое разнообразие попадающих в MIMD класс вычислительных систем делает классификацию Флинна не полностью адекватной. Действительно, и четырехпроцессорный SX-5 компании NEC, и тысячепроцессорный Cray T3E попадают в этот класс. Это заставляет использовать другой подход к классификации, иначе описывающий классы компьютерных систем.

3. Центральные процессоры

Центральный процессор (ЦП, или центральное процессорное устройство -- ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно -- центральное обрабатывающее устройство) -- исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера; отвечает за выполнение операций, заданных программами. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем.

Рисунок 7 - Блочная схема структуры МП

1) АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти;

2) Регистры или микропроцессорная память -- сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;

3) БУ - блок управления - управление работой всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой. Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

Процессор «общается» с другими устройствами (оперативной памятью) с помощью шин данных, адреса и управления. Разрядность шин всегда кратна 8 (понятно почему, если мы имеем дело с байтами), изменчива в ходе исторического развития компьютерной техники и различна для разных моделей, а также не одинакова для шины данных и адресной шины. Разрядность шины данных говорит о том, какое количество информации (сколько байт) можно передать за раз (за такт). От разрядности шины адреса зависит максимальный объем оперативной памяти, с которым процессор может работать вообще.

На мощность (производительность) процессора влияют не только его тактовая частота и разрядность шины данных, также важное значение имеет объем кэш-памяти.

Характеристики процессора:

1. Тактовая частота -- это количество операций, которое процессор может выполнить в секунду. Единица измерения МГц и ГГц (мегагерц и гигагерц). 1 МГц -- значит, что процессор может выполнить 1 миллион операций в секунду, если процессор 3,16 ГГц -- следовательно он может выполнить 3 Миллиарда 166 миллионов операций за 1 секунду. Существует два типа тактовой частоты -- внутренняя и внешняя. Внутренняя тактовая частота -- это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора. Внешняя тактовая частота или частота системной шины -- это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.

2. Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров. Компьютер может оперировать одновременно ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности внутренних регистров. Разряд -- это хранилище единицы информации. За один рабочий такт компьютер может обработать количество информации, которое может поместиться в регистрах. Если регистры могут хранить 8 единиц информации, то они 8-разрядне, и процессор 8-разрядный, если регистры 16-разрядные, то и процессор 16- разрядный и т.д. Чем большая разрядность процессора, тем большее количество информации он может обработать за один такт, а значит, тем быстрее работает процессор.

3. Кэш процессора -- довольно важный параметр. Чем он больше, тем больше данных хранится в особой памяти, которая ускоряет работу процессора. В кэше процессора находятся данные, которые могут понадобится в работе в самое ближайшее время. Чтобы вы не путались в уровнях кэша -- запомните одно свойство: кэш первого уровня самый быстрый, но самый маленький, второго -- помедленней, но побольше и кэш третьего уровня самый медленный и самый большой (если он есть).

4. Технический процесс (иногда пишут технология) -- не основная характеристика процессора для обычного обывателя. Чем меньше тех процесс, тем как говорится, лучше. По факту - это площадь кристалла на процессоре. Чем кристаллы меньше, тем их больше можно уместить, следовательно, увеличить тактовую частоту. Да и на меньший кристалл нужно меньше подавать напряжения, поэтому и тепловыделение уменьшается, поэтому опять же можно увеличить тактовую частоту.

5. Socket - этот параметр нужен для стандартизации всех процессоров по разъемам подключения к материнской плате. Например, Socket LGA775 - если вы такую характеристику встретите на материнской плате, то к ней подойдут только процессоры с маркировкой Socket LGA775 и никакие другие. Обратное правило тоже действует.

Интерфейсная система - это:

- шина управления (ШУ) - предназначена для передачи управляющий импульсов и синхронизации сигналов ко всем устройствам ПК;

- шина адреса (ША) - предназначена для передачи кода адреса ячейки памяти или порта ввода/вывода внешнего устройства;

- шина данных (ШД) - предназначена для параллельной передачи всех разрядов числового кода;

- шина питания - для подключения всех блоков ПК к системе электропитания.

Интерфейсная система обеспечивает три направления передачи информации:

- между МП и оперативной памятью;

- между МП и портами ввода/вывода внешних устройств;

- между оперативной памятью и портами ввода/вывода внешних устройств.

Обмен информацией между устройствами и системной шиной происходит с помощью кодов ASCII.

Память - устройство для хранения информации в виде данных и программ. Память делится прежде всего на внутреннюю (расположенную на системной плате) и внешнюю (размещенную на разнообразных внешних носителях информации). Внутренняя память в свою очередь подразделяется на:

- ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (read only memory), которое содержит - постоянную информацию, сохраняемую даже при отключенном питании, которая служит для тестирования памяти и оборудования компьютера, начальной загрузки ПК при включении. Запись на специальную кассету ПЗУ происходит на заводе фирмы- изготовителя ПК и несет черты его индивидуальности. Объем ПЗУ относительно невелик - от 64 до 256 Кб.

- ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, ОП -- оперативная память) или RAM (random access memory), служит для оперативного хранения программ и данных, сохраняемых только на период работы ПК. Она энергозависима, при отключении питания информация теряется. ОП выделяется особыми функциями и спецификой доступа:

· ОП хранит не только данные, но и выполняемую программу;

· МП имеет возможность прямого доступа в ОП, минуя систему ввода/вывода.

- Кэш-память - имеет малое время доступа, служит для временного хранения промежуточных результатов и содержимого наиболее часто используемых ячеек ОП и регистров

Логическая организация памяти -- адресация, размещение данных определяется ПО, установленным на ПК, а именно ОС.

Внешняя память. Устройства внешней памяти весьма разнообразны. Предлагаемая классификация учитывает тип носителя, т.е. материального объекта, способного хранить информацию.

* Накопители на магнитной ленте исторически появились раньше, чем накопители на магнитном диске. Бобинные накопители используются в супер ЭВМ и mainframe.

* Диски относятся к носителям информации с прямым доступом, т.е. ПК может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно.

В 1959 г. Роберт Нойс, 31-летний директор и научный руководитель фирмы Fairchild Semiconductors, разработал первую в мире интегральную схему - совокупность нескольких планарных транзисторов. До этого каждый компонент электронной схемы изготавливался отдельно, а затем они спаивались вручную. С 1962 г. интегральные схемы, прозванные «чипами», были пущены в массовое производство. Степень интеграции схем непрерывно увеличивалась - от 10 транзисторов в 1964 г. до 100 транзисторов в 1970 г. на кристалле кремния одного и того же размера (около 7 см2).

В 1968 г. Р. Нойс и двое его коллег из фирмы Fairchild Semiconductors - Гордон Мур и Энди Гроув - основали фирму Intel. Первый её завод был построен в районе Пало-Альто, штат Калифорния. Через два года фирма Intel разработала первую в мире ИС для компьютерной памяти, способную хранить 1 Кбит информации. Эта схема размером менее 0,4 см2 заменяла 1024 сердечника старой ферритовой памяти общей площадью порядка 500 см2.

В это же время (1970 г.) Эдвард Хофф, 34-летний инженер фирмы Intel, получил от японской фирмы Busicom заказ на набор из 12 интегральных микросхем для нового семейства микрокалькуляторов. Такие ИС всегда характеризовались узко специализированными функциями и предназначались для выполнения строго определённой работы, и поэтому для каждого нового применения приходилось заново разрабатывать весь набор микросхем. Это показалось Э. Хоффу экономически невыгодным, и при содействии сотрудников фирмы Intel Стэнли Мэйзора и Федерико Фаггина он сократил количество ИС в наборе с 12 до 4, включив центральный процессор, который выполнял арифметические и логические функции сразу нескольких ИС. Процессор состоял из 2250 транзисторов, размещённых на кристалле размером менее 1 см2. Кроме того, его функции не были жёстко зафиксированы. По конструкции он был сходен с центральным процессором большого компьютера, и его можно было запрограммировать на выполнение практически любых функций.

· Intel 4004.

Выпущенный 15 ноября 1971 г., этот микропроцессор получил наименование 4004. В сочетании ещё с тремя микросхемами - памяти, блока управления и интерфейса ввода-вывода - процессор представлял собой микрокомпьютер - машину, не уступавшую по мощности большим компьютерам середины 1950-х годов. Микропроцессор выпускался в 16-контактном корпусе и выполнял 60 тыс. операций в секунду при тактовой частоте 108 КГц. Адресуемая память составляла 640 байт.

· Intel 8008.

1 апреля 1972 г. фирма Intel выпустила 8-битную версию процессора 4004 и назвала её 8008. Новый микропроцессор имел 18 контактов, расположенных в двух рядах, и работал на тактовой частоте 200 КГц. Он содержал 3500 транзисторов, выполненных, как и в процессоре 4004, по 10-микронной технологии. Производительность процессора 8008 вдвое превышала производительность его 4-битного предшественника.

Рисунок 8 - Блок-схема процессора

· Intel 8080.

В марте 1976 г. фирмой Intel была выпущена усовершенствованная версия процессора 8008, названная 8080. Как и его предшественник, процессор 8080 имел 8-битные шины адреса и данных и мог адресовать 64 Кбайт памяти. Впервые микропроцессор питался от одного источника напряжением 5 В, вместо двух напряжениями 5 и 12 В. Несмотря на повышенную до 5 МГц (в модели 8080A - 6,25 МГц, а в модели 8080A-2 - 10 МГц) тактовую частоту, производительность процессора составила всего 370 тыс. операций в секунду. Также впервые в микропроцессорах фирмы Intel была использована 3-микронная технология (вместо 6-микронной в процессоре 8008), позволившая увеличить степень интеграции до 6500 транзисторов на кристалле той же величины, что и 8008.

Рисунок 9 - Блок-схема процессора

· Intel 8086/8088

В 1978 г. рынок 8-битных микропроцессоров был переполнен, и вместо того, чтобы продолжать борьбу на нём, фирма Intel сделала качественный шаг вперёд и выпустила первый в мире 16-битный микропроцессор.

16-битный микропроцессор Intel 8086, выпущенный 8 июня 1978 г., содержал на кристалле размером 5,5x5,5 мм около 29000 транзисторов. Производительность процессора 8086 значительно превышает производительность его 8-битного предшественника - микропроцессора 8080 - и составляет от 330 до 750 тыс. операций в секунду. Хотя и имеется определённая совместимость микропроцессора 8086 с архитектурой ЦП 8080, разработчики не ставили перед собой цели достичь её полностью. Число линий адреса увеличено с 16 до 20, что позволяет адресовать память 1 Мбайт вместо 64 Кбайт. Увеличение ёмкости памяти упрощает переход к мультипрограммированию, поэтому в микропроцессоре 8086 предусмотрено несколько мультипрограммных возможностей. Кроме того, в микропроцессор 8086 встроены некоторые средства, упрощающие реализацию мультипроцессорных систем, что позволяет применять его с другими процессорами, например с процессором числовых данных 8087.

Несмотря на высокую производительность 16-битного микропроцессора 8086, он долгое время оставался малопопулярным из-за малого количества и дороговизны выпускаемых 16-битных микросхем поддержки. Поэтому 1 июня 1979 г. фирма Intel выпустила микропроцессор 8088, который представляет собой 8-битный микропроцессор, полностью совместимый с микропроцессором 8086 (т.е. имеющий такую же систему команд и набор регистров) и предназначенный для перевода аппаратных конфигураций на базе микропроцессоров 8080/8085 на программную среду микропроцессора 8086 с целью повышения производительности этих 8-битных систем. Новый микропроцессор, как и процессор 8086, содержал около 29000 транзисторов; две различные его модели работали на тактовых частотах 5 и 8 МГц с производительностью 330 и 750 тыс. операций в секунду соответственно.



Рисунок 10 - Блок-схема процессора

· Intel 80186/80188.

Микросхема 80186 представляет собой усовершенствованный вариант процессора 8086 со внутренними средствами, ранее реализовывавшимися 10 отдельными вспомогательными микросхемами. В микросхему 80186, кроме ЦПУ, встроены программируемый генератор синхронизации, программируемый контроллер прерываний, три программируемых таймера/счётчика, два контроллера ПДП со схемами прерываний и программируемые схемы выбора кристалла (дешифраторы адреса). Высокая степень интеграции системных компонентов сокращает число корпусов и контактов в системе, хотя увеличивает число контактов на корпусе ЦП до 68 из-за дополнительных линий, которые подключаются непосредственно к различным интерфейсам и устройствам. В микросхеме 80186 впервые применён корпус типа «держатель кристалла» с 4-сторонним расположением контактов; позднее корпуса такого типа применялись и в других микросхемах фирмы Intel и других разработчиков.

Фирмой Intel выпускался также 8-битный вариант процессора 80186, названный 80188. Построенный на основе микропроцессора 8088, процессор 80188 имел 8-битную шину данных и мог применяться в системах на базе 8-битных микропроцессоров 8080/8085 с некоторыми модификациями этих систем. Процессор 80188 имел ещё меньшую популярность, чем процессор 80186, из-за своей малой производительности по сравнению с другими микропроцессорами того времени. Предназначенный в основном для модернизации 8-битных систем, он был выпущен уже тогда, когда таких систем практически не оставалось.

· Intel 80286.

Процессор 80286, выпущенный фирмой Intel 1 февраля 1982 г., является усовершенствованным вариантом микропроцессора 8086, содержащим схемы управления памятью и её защиты для упрощения реализации мультизадачных систем. На кристалле процессора размещено около 134000 транзисторов новой 1,5-микронной технологии, позволившей оформить микропроцессор в таком же, как и у микросхемы 80186, корпусе с 68 контактами, расположенными в четыре ряда. Выпускались модели процессора 80286 с частотами синхронизации 6, 8, 10 и 12,5 МГц производительностью 0,9, 1,2, 1,5 и 2,6 млн операций в секунду соответственно.

Помимо регистров микропроцессора 8086, дополнительно введены следующие регистры, предназначенные для мультипрограммирования:

· слово состояния машины (16 бит) для хранения дополнительных бит состояния, связанных с расширенными возможностями процессора 80286, например, бита разрешения защиты, определяющего, в реальном или защищённом режиме работает процессор;

ь расширения сегментных регистров (по 48 бит) для хранения текущих сегментных дескрипторов;

ь регистр задачи (16 бит) для адресации системного дескриптора сегмента, который определяет базовый адрес, права доступа и размер сегмента состояния текущей задачи;

ь регистры дескрипторной таблицы (один 64-битный и два 40-битных) для адресации дескрипторных таблиц, которые содержат дескрипторы различных сегментов.

· Intel 80386.

Микропроцессор 80386, выпущенный 17 октября 1985 г., - «истинно 32-битный» процессор: ширина его шин адреса и данных, а также размер регистров, составляют 32 бита. Это упрощает вычисление адреса, так как весь адрес ячейки памяти может храниться в одном регистре. Кроме того, становится возможной адресация 4 Гбайт физической и 64 Тбайт виртуальной памяти.

Кроме повышения разрядности, в процессоре 80386 имеется и ряд других важных нововведений: 6-байтная очередь команд процессора 8086 заменена 2-ступенчатым «конвейером»: 16-байтной очередью команд и отдельной от неё очередью инструкций. Устройство выборки по мере освобождения очереди команд выбирает из памяти новые команды и помещает их в очередь, а дешифратор команд по мере освобождения очереди инструкций выбирает из очереди команд новые команды, преобразует их в 112-битный внутренний формат и помещает в очередь инструкций.

· Intel 386.

Другая разновидность процессоров фирмы Intel с 32-битной архитектурой - 386SL, выпущенный 15 октября 1990 г. Это первый микропроцессор, специально разработанный для применения в переносных компьютерах и компьютерах-блокнотах («ноутбуках») и потому имеющий пониженное энергопотребление.



Рисунок 11 - Блок-схема процессора

· Intel 486.

10 апреля 1989 г. фирма Intel выпустила усовершенствованную версию процессора 80386 и назвала её 486. Вдобавок к ЦПУ класса 80386 на кристалле процессора 486 также располагались кэш-память первого уровня (объёмом 8 или 16 Кбайт) и устройство обработки чисел с плавающей точкой; длина очереди команд процессора была увеличена до 32 байт. Это был первый в мире ЦП со встроенным эквивалентом математического сопроцессора: больше не стояла проблема его эмуляции на системах без сопроцессора, а также удешевлялась и ускорялась система за счёт уменьшения общего числа контактов и корпусов микросхем. С другой стороны, нельзя было установить в систему другой сопроцессор, поскольку команды сопроцессора выполнялись встроенным устройством обработки чисел с плавающей точкой. Поэтому выпускались два варианта процессора 486 - 486DX и 486SX, идентичные по архитектуре, за исключением того, что процессор 486SX не содержал устройства обработки чисел с плавающей точкой.

Процессор 486DX-50 МГц был выпущен незадолго до двадцатилетия со дня выпуска первого микропроцессора фирмы Intel. За эти двадцать лет быстродействие процессоров выросло в 500 раз, число транзисторов - в 522 раза, производительность - в 683 раза, адресуемая память - в 6,7 млн раз. Осенью 2001 г., через 30 лет после выпуска микропроцессора 4004, был выпущен процессор Xeon-2ГГц. Его тактовая частота превосходит частоту процессора 4004 в 20 млн раз.

Рисунок 12 - Блок-схема процессора

· Intel Pentium.

В 1992 г. фирмой Intel было объявлено о том, что новый процессор будет назван вопреки старой системе наименования (x86). Поскольку названия из цифр не защищаются авторским правом и законом о торговых знаках, конкуренты фирмы Intel выпускали собственные процессоры с названиями вроде 386 и 486. Для нового процессора было выбрано название Pentium, так как он был представителем «пятого поколения» процессоров (8086 - 80286 - 80386 - 486 - Pentium). С тех времён новые процессоры получают словные, а не числовые, названия.

Процессор Pentium имел 64-битную шину данных, позволяющую ему вводить и выводить по 8 байт за один такт. При этом АЛУ у него было 32-битным, т.е. процессор Pentium мог одновременно обрабатывать не более 32 бит информации, являясь при этом неким 32-64-битным процессором. Это позволяет эффективно работать и с более старыми 32-битными, и с новыми 64-битными микросхемами памяти. Далее, объём внутренней кэш-памяти процессора был увеличен до 16 Кбайт, как и в процессорах 486DX2/DX4, и была улучшена логика управления этой кэш-памятью. 8 Кбайт этой кэш-памяти используется для хранения наиболее часто используемых команд, а другие 8 Кбайт - для хранения часто используемых данных. Это позволяет оптимизировать выполнение процессором циклов программы, т.к. в них очередь команд если и очищается, то очень быстро заполняется из кэш-памяти команд.

Кроме перечисленных выше усовершенствований, у процессора Pentium есть два независимых конвейера обработки команд, т.е. если две последовательные команды не зависят друг от друга, то они дешифратором команд передаются в различные очереди инструкций и выполняются процессором одновременно. Это позволяет достичь производительности двухпроцессорной системы при установке в неё всего одного процессора.

Первые процессоры Pentium были выпущены 22 марта 1993 г. Они содержали 3,1 млн транзисторов, работали на тактовых частотах 60 и 66 МГц и имели производительность 100 и 112 млн операций в секунду соответственно. Эти процессоры выпускались в 273-контактных корпусах с сеткой контактов 21x21 и имели напряжение питания 5 В. Более поздние процессоры Pentium, работавшие на тактовых частотах 75 (с октября 1994), 90, 100 (с марта 1994), 120 (с марта 1995), 133 (с июня 1995), 150, 166 (с января 1996) и 200 (с июня 1996) МГц, выпускались также в 296- и 320-контактных корпусах с шахматным расположением контактов в сетке 37x37. Эти более новые процессоры Pentium имели напряжение питания 3,3 В, размеры всего 25 см2 и содержали 3,2 - 3,3 млн транзисторов новой 0,35-микронной технологии.



Рисунок 13 - Блок-схема процессора

Следующим шагом вперёд в микропроцессорах фирмы Intel стал процессор PentiumPro, выпущенный 1 ноября 1995 г. Аналогичный по своей внутренней архитектуре процессору Pentium, процессор PentiumPro дополнительно имел внутреннюю шину данных, работающую на скорости процессора и соединяющую его с внутренней кэш-памятью второго уровня объёмом 256, 512 Кбайт или 1 Мбайт (с августа 1997). Дополнительно к этой кэш-памяти, на системную плату можно было установить кэш-память третьего уровня, ещё повышающую производительность системы.

Процессор Pentium MMX был выпущен 8 января 1997 г., и его модели работали на тактовых частотах 166, 200, 233 (с июня 1997), 266 (с января 1998) и 300 (с января 1999) МГц. Так как процессор Pentium MMX выпускался в таких же 296-контактных корпусах, как и процессоры Pentium-2, системы на базе процессоров Pentium-2 можно было легко модернизировать простой заменой процессора на процессор Pentium MMX. Процессоры Pentium MMX содержали около 4,5 млн транзисторов. Выполненные по новой 0,25-микронной технологии, они упаковывались в 320-контактные корпуса особого вида, предназначенные для употребления в компьютерах-блокнотах.

Процессоры PentiumPro с добавлением технологии MMX и 32-Кбайтной кэш-памятью первого уровня получили название Pentium II. Выпускались модели процессора Pentium II, работающие на тактовых частотах 233, 266, 300 (с мая 1997), 333 (с января 1998), 350, 400 (с апреля 1998) и 450 (с августа 1998) МГц. Для них были разработаны новые 242-контактные корпуса размерами 14x6,3x1,6 см, названные односторонними картриджами.Односторонние картриджи были запатентованы фирмой Intel, поэтому в платы с разъёмами для процессоров Pentium II невозможно вставить процессоры других фирм.

Рисунок 14 - Блок-схема процессора

В середине 1998 года корпорация Intel объявила о выпуске новой версии Pentium II -- Pentium Xeon. Pentium Xeon был специально разработан для обслуживания серверов и сильно нагруженных рабочих станций. В отличие от Pentium II процессор Pentium Xeon обладает большей кэш-памятью: L1 -- 32 Кб, L2 -- 512 Кб или 1 Мб или даже 2 Мб.

Процессор Intel Pentium III пришел на смену Pentium II в январе 1999 года. Основное отличие данного процессора от Pentium II состоит в том, что он поддерживает набор из 70 новых команд (SIMD -- инструкций) групповой обработки данных с плавающей точкой (50 команд) и дополнительные команды групповой обработки целочисленных данных (20 команд). При увеличении быстродействия ядра Pentium III технические характеристики остались на уровне Р6 (Pentium Pro). При увеличении тактовой частоты до 1 Ггц, кэш-память L1 составляет 512 Кб, а L2 -- 256 Кб. Кэш L1 работает на половинной частоте, а частота системной шины составляет 100 МГц.

Рисунок 15 - Блок-схема процессора

Первые процессоры Pentium IV корпорация Intel выпустила в ноябре 2000 года. Они имели большое изменение в архитектуре 32-разрядных процессоров Intel и работали на тактовых частотах 1,4 и 1,5 ГГц. Ядро процессора получившее название Willamette было выполнено по технологии 0,18 мкм. Модернизация позволила не только значительно увеличить тактовую частоту процессора, но и увеличить количество команд, обрабатываемых за один такт. Процессор Pentium IV использовал архитектуру Net Burst, которая позволила на долгие годы считать самой главной характеристикой процессора тактовую частоту ядра.

Основной проблемой архитектуры Net Burst является рост температуры процессора с ростом частоты кристалла. Размер кэш-памяти L1 уменьшен до 8 Кб, кэш L2 остался прежним, как и в Pentium III, 256 Кб.

В 2003 году были выпущен Pentium IV Extreme Edition, который был модернизацией процессоров Pentium IV с ядром Northwood и кэш L3 объемом до 2 Мб. Диапазон изменения тактовой частоты для разных моделей составлял 3,2--3,466 ГГц, а частота системной шины -- 800 или 1066 МГц. Процессор Pentium Extreme Edition, имеющий два физических ядра и два виртуальных, поддерживает одновременную обработку четырех потоков команд.

· Intel Celeron.

Для персональных компьютеров фирмой Intel выпускались процессоры Celeron, являющиеся «облегченными» вариантами Pentium II без внутренней кэш-памяти второго уровня. Выпускаемые в таких же односторонних картриджах, как и процессоры Pentium II, процессоры Celeron имели меньшую рабочую тактовую частоту, а именно 266 (с апреля 1998) и 300 (с июня 1998) МГц. Процессоры Celeron содержат, как и процессоры Pentium II, 7,5 млн транзисторов.

Другие модели процессоров Celeron, объединённые названием Celeron A, имели рабочую тактовую частоту 333 (с августа 1998), 366, 400 (с января 1999), 433 (с марта 1999), 466 (с апреля 1999), 500 (с августа 1999), 533 (с января 2000), 566, 600 (с марта 2000), 633, 667, 700 (с июня 2000), 733, 766 (с ноября 2000), 800 (с января 2001), 850 (с мая 2001), 900 (с июля 2001), 950, 1000, 1100 (с августа 2001), 1200 (с октября 2001) и 1300 (с января 2002) МГц. Совершенствование процессоров Celeron A продолжается и поныне. Наиболее мощные из них содержат 19 млн транзисторов (вместе с 128 или 256 Кбайт внутренней кэш-памяти второго уровня) и изготавливаются по 0,18- или 0,13-микронной технологии. Процессоры Celeron A используют напряжение питания 1,5 В и выпускаются в 370-контактных корпусах. Другие модели процессоров Celeron, разработанные для компьютеров-блокнотов, используют напряжение питания 1,4 или 1,15 В, потребляют мощность менее 1 Вт и производятся в корпусах размером около 1 см2. Процессоры Celeron A используются в наиболее мощных персональных компьютерах, хотя они и не обеспечивают производительность, необходимую для серверов.

· Intel Core.

Семейство процессоров Core 2 считается восьмым поколением процессоров Intel для архитектуры х86, которое представлено огромным разнообразием моделей, известных под названием Core 2 Duo (двухъядерные) и Intel Core 2 Quad (четырехъядерные).

В 2006 г первые процессоры Core 2 были изготовлены по технологии 65 нм и имели ядро с условным названием Conroe. В 2007 году после освоения техпроцесса 45 нм, стали выпускаться процессоры с ядром под условным названием Penryn. Серверные модели семейства Intel Core 2, выпускаются с модернизированными ядрами, которые носят свои условные названия. Наиболее высокопроизводительные процессоры серии Core 2 носят название Core 2 Extreme. Характеристики процессоров Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad и Intel Core 2 Extreme приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики процессоров

Характеристики	Intel Core 2 Duo	Intel Core 2 Quad	Intel Core 2 Extreme
Технология, нм	45, 65	45, 65	45, 65
Количество ядер	2	4	2 и 4
Кэш-память (L2), Мб	2--6	4--12	12
Тактовая частота, МГц	2,33--3,33	2,33--3	2,93--3,2
Частота системной шины, МГц	800 - 1333	1066, 1333	1066--1600
Тип разъема	LGA755	LGA755	LGA755

Core i7 -- прямой потомок процессора 8088, который использовался в первой модели IBM PC. Презентация Core i7 состоялась в ноябре 2008 года. Публике было представлено четырехпроцессорное ЦПУ с 731 млн. транзисторов, частотой до 3,2 ГГц и шириной строки 45 нанометра. Понятие ширина строки обозначает ширину проводников между транзисторами, чем меньше эта величина, тем больше транзисторов умещается на одной микросхеме. Исходный выпуск архитектуры Core i7 базировался на архитектуре Nahalem, однако новые версии Core i7 строятся на базе новой архитектуры Sandy Bridge, которая увеличилась до 1,16 млрд. транзисторов и работает на скорости 3,5 ГГц с шириной строки 32 нанометра. С точки зрения программного обеспечения Core i7 представляет собой 64-разрядную машину и является многоядерным процессором, с разным числом внутренних процессов -- от 2 до 6.

Микроархитектура Core i7 базирующийся на архитектуре своих предшественников Core 2 и Core 2 Duo может выполнять до четырех команд одновременно, что позволяет рассматривать его как 4-х кратную суперскалярную машину. В процессорах Core i7 используется трехуровневый кэш: разделенный на 32-килобайтный кэш данных и 32-килобайтный кэш команд. Каждое ядро имеет свой собственный 256-килобайтный кэш второго уровня (L2). Все ядра совместно используют один унифицированный кэш третьего уровня (L3), может быть от 4 до 15 Мб в зависимости от модели процессора.

«Тик-так» (англ. tick-tock) -- экстенсивная стратегия разработки микропроцессоров, анонсированная Intel на конференции Intel Developer Forum в сентябре 2006. Цикл разработки делится на две стадии -- «тик» и «так». «Тик» означает миниатюризацию технологического процесса и относительно небольшие усовершенствования микроархитектуры. «Так» означает выпуск процессоров с новой микроархитектурой, но при помощи существующего технологического процесса. По планам Intel, каждая часть цикла должна занимать примерно год.

Таблица 2 - Стратегия разработки микропроцессоров

	Ядра	Процессоры	Микроархитектура	Технологический процесс	Начало выпуска
«Тик»	Cedar Mill, Dempsey, Presler, Yonah	Intel Core, Pentium 4, Pentium D, Xeon	Intel P6, NetBurst	65 нм	2006
«Так»	Allendale, Clovertown, Conroe, Kentsfield, Merom, Tigerton, Woodcrest	Intel Core 2, Xeon	Intel Core (не путать с процессорами Intel Core!)		2006
«Тик»	Dunnington, Harpertown, Penryn, Wolfdale, Yorkfield		Penryn (усовершенствованная Intel Core)	45 нм	2008
«Так»	Beckton, Bloomfield, Clarksfield, Gainestown, Lynnfield	Intel Core i5/i7/i7 Extreme Edition, Xeon	Intel Nehalem		2009
«Тик»	Arrandale, Clarkdale, Gulftown	Intel Core i3/i5/i7/i7 Extreme Edition, Xeon	Intel Westmere (усовершенствованная Intel Nehalem)	32 нм	2010
«Так»	Sandy Bridge	Intel Core i3/i5/i7/i7 Extreme Edition, Xeon	Intel Sandy Bridge		2011
«Тик»	Ivy Bridge	Intel Core i3/i5/i7/i7 Extreme Edition, Xeon	Intel Ivy Bridge (усовершенствованная Intel Sandy Bridge)	22 нм	2012
«Так»	Haswell	Intel Core i3/i5/i7/i7 Extreme Edition, Xeon	Intel Haswell		2013
«Тик»	Broadwell		Intel Broadwell (усовершенствованная Intel Haswell)	14 нм	2014
«Так»	Skylake		Intel Skylake		2015
«Тик»	Kaby Lake				2016
«Так»	Cannonlake		Intel Cannonlake, ранее Skymont (усовершенствованная Intel Skylake)	10 нм	2017
«Тик»					2018
«Так»				7 нм	2019
«Тик»					2020
«Так»				5 нм	2021
«Тик»					2022

4. Центральные процессоры: Advanced Micro Devices (AMD)

Фирма Advanced Micro Devices (AMD), как уже говорилось, начала производство микропроцессоров с выпуска дешёвых аналогов процессоров 80386 и 486SX фирмы Intel. Сначала это производство проходило по лицензии фирмы Intel, но затем лицензия была отозвана, и процессор Am486SX фирма AMD разработала самостоятельно. По существу, именно выпуск фирмой AMD микропроцессора, названного так же, как и процессор фирмы Intel, и стало причиной, побудившей фирму Intel перейти к буквенным наименованиям микропроцессоров. В любом случае, достоверно известно, что объём продаж фирмой AMD микропроцессоров Am386 превысил объём продаж процессоров класса 386 всеми другими их производителями (включая фирму Intel).

Следующий после процессора Am486SX микропроцессор фирмы AMD назывался Am5x86. Это был усовершенствованный вариант процессора 486DX2, выпускавшийся в корпусе, позволявшем устанавливать процессор Am5x86 в гнездо для процессоров 486. Но затем фирма AMD сменила схему наименования и выпустила 27 марта 1996 г. новый процессор, названный K5.

Микропроцессор K5, известный также как Am5K86, был аналогичен процессору Intel Pentium и мог использоваться в системах, рассчитанных на установку процессора Pentium, без их перенастройки. Он содержал 4,3 млн транзисторов той же, что и в процессорах Pentium, 0,35-микронной технологии. Выпускались модели процессора K5, способные работать на тактовых частотах 75, 90, 100 (с октября 1996) и 116 МГц. В них использовались умножители рабочей частоты от 1,5 до 2,5.

Процессор K5 имел большую, чем у процессора Pentium, производительность при равных тактовых частотах за счёт того, что он использовал четырёхконвейерную архитектуру, позволяющую выполнять до четырёх команд одновременно. В отлитие от двухконвейерной архитектуры микропроцессора Pentium, новая архитектура не требует для получения прироста производительности написания программ специальным образом. Кроме того, микропроцессор K5 имел 40 регистров и систему их переименования, обеспечивающую совместимость с процессором Pentium по машинному коду. Однако программы, написанные специально для микропроцессора K5, работают на нём на 30% быстрее, чем их аналоги - на процессоре Pentium.