История развития микропроцессоров

     Шина  данных микропроцессора работает в режиме двунаправленной передачи, т. е. по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но не одновременно. В этом случае требуется применение специальных буферных схем и мультиплексного режима обмена данных между МП и внешней памятью. Мультиплексный режим (от английского слова multiple – многократный, множественный), иногда называемый многоточечным - режим одновременного использования канала передачи большим числом абонентов с разделением во времени средств управления обменом. Мультиплексор – устройство, которое выбирает данные от одного, двух (или более) входных информационных каналов и подает эти данные на свой выход. Схема мультиплексора состоит из двухвходовых логических элементов И – ИЛИ, управляемых распределителем импульсов. Демультиплексор – устройство, выполняющее противоположную мультиплексору функцию, - подает данные, подводимые к его входу, на один (или более) выходной информационный канал.

     Мультиплексоры и демультиплексоры позволяют компоновать из микропроцессорных элементов микроЭВМ для любой длины машинного слова.

     Восьмиразрядное арифметически – логическое устройство выполняет все арифметические и логические операции. На первый вход АЛУ поступает байт из восьмиразрядного аккумулятора, а на второй вход – из восьмиразрядного промежуточного регистра. Результат сложения указанных двух байтов передается с выхода АЛУ через внутреннюю шину данных в аккумулятор. Такая организация удовлетворяет одноадресной организации микропроцессора. Для нее характерно то, что один из операндов, участвующих в обработке, всегда находится в аккумуляторе, адрес которого задан неявно. Поэтому при выполнении операции сложения двух операндов требуется указывать только один адрес – второго операнда, содержащегося, например в одном из восьми  регистров общего назначения. К АЛУ, подключены  регистр признаков, предназначенный для хранения и анализа признаков результата операции, и схема десятичной коррекции, позволяющая проводить обработку данных в двоично-десятичном коде.

     В состав микропроцессора входят также  указатель стек, счетчик команд, буферный регистр адреса, ОЗУ. Первые два регистров общего назначения – регистры W и Z – предназначены для кратковременного хранения данных во время выполнения команды (эти регистры недоступны программисту), остальные шесть регистров общего назначения – регистры B, C, D, E, H и L – служат ячейками внутренней памяти, называемой  сверхоперативным запоминающим устройством (СОЗУ). В них хранятся операнды, подлежащие обработки в АЛУ, результаты обработки данных, выполненных в АЛУ, и управляющие слова. В каждом регистре помещается один байт. Обращение к регистрам общего назначения – адресное.  
 

4.Развитие микропроцессоров 
 

     Лидером и законодателя мод в мире процессоров является- корпорации Intel, которая была основана в 1968 г. В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Intel-i4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.  15 ноября 1971 г можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel i4004. Это был настоящий прорыв, ибо микропроцессор  Intel-i4004 размером менее       3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда работал он гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый микропроцессор  в десятки тысяч раз дешевле. Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема прибора насчитывала 2300 транзисторов. Микропроцессор  работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип i4004 имел адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO), блок регистров общего назначения (регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все эти функциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной шиной данных. Память команд достигала 4 Кбайт, а регистровый файл центрального процессора насчитывал 16 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как 8 8-разрядных. Такая организация регистров общего назначения сохранена и в последующих микропроцессорах фирмы Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения подпрограмм. Микропроцессор i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выводами. В систему его команд входило всего 46 инструкций.

     Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), в связи с чем их приходилось реализовывать с помощью специальных подпрограмм. Модуль i4004 не имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний.

Цикл  команды процессора состоял из 8 тактов задающего генератора. Была мультиплексированная шина адреса/шина данных, адрес 12-разрядный передавался по 4-разряда.

    1 апреля 1972 г. фирма Intel начала поставки первого в отрасли 8-разрядного прибора i8008. С этого момента начинается отсчет современных процессоров. Кристалл изготавливался по р-канальной МОП-технологии с проектными нормами 10 мкм и содержал 3500 транзисторов. Процессор работал на частоте 500 кГц при длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора). В отличие от своих предшественников микропроцессор  имел архитектуру ЭВМ принстонского типа, а в качестве памяти допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ. Благодаря использованию технологии n-МОП с проектными нормами 6 мкм, на кристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 Мгц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт. За счет использования 40-выводного корпуса удалось разделить шину адреса и шину данных, общее число микросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурации, сократилось до 6. В регистровый файл были введены указатель стека, активно используемый при обработке прерываний, а также два программнонедоступных регистра для внутренних пересылок. Блок регистров общего назначения был реализован на микросхемах статической памяти. Исключение аккумулятора из регистрового файла и введение его в состав АЛУ упростило схему управления внутренней шиной. Новое в архитектуре микропроцессора  это использование многоуровневой системы прерываний по вектору. Такое техническое решение позволило довести общее число источников прерываний до 256 (до появления БИС контроллеров прерываний схема формирования векторов прерываний требовала применения до 10 дополнительных чипов средней интеграции). В i8080 появился механизм прямого доступа в память.

     Первое поколение процессоров. Очередной революционный процессор Intel – i8086 – появился в 1978 г. Его основные характеристики – 16-разрядные регистры, 16-разрядная шина данных, сегментная адресация памяти 20 бит – это уже 1 Мбайт. Тактовая частота 4,77–10 МГц. Более дешевый вариант i8086 – это процессор i8088 – имеет 8 разрядную шину данных. Процессоры i8086/88 могли работать с внешним математическим сопроцессором i8087 (устанавливался в специальный разъем на плате). i8086 унаследовал большую часть множества команд 8080 и Z80. Все современные процессоры (в обязательном порядке) поддерживают набор команд процессора i8086, совместимость "снизу-вверх" - любую программу, написанную для i8086, можно запустить на Pentium 4 или Athlon XP.

     Второе поколение процессоров. Память в 1 Мбайт – была довольно долго большим объемом, но со временем ее оказалось мало. Для доступа к большему объёму памяти нужно было устанавливать драйвера расширенной памяти EMS, с помощью которых через окошко 64 Кбайта можно было получить доступ к 32 Мбайтам. В 1982 г. Intel представляет 80286 с расширенной шиной 24 бита (16 Мбайт памяти) и защищенным режимом работы. До этого в процессорах отсутствовала поддержка на процессорном уровне защиты программ от взаимного влияния, такое нововведение стимулировало производителей программного обеспечения на выпуск многозадачных операционных систем (Windows, OS/2).

     Третье поколение процессоров. Это первый 32-разрядный процессор, который положил начало семейству процессоров IA-32 (32-bit Intel Architecture). Главные отличительные особенности этого процессора: 32-разрядные шины адреса и данных (адресация 4 Гбайт); добавление 32-разрядных регистров; введен новый режим работы процессора – виртуальный 8086 процессор; страничная адресация памяти (стало возможно организовать виртуальную память). Введена концепция параллельного функционирования внутренних устройств процессора: шинный интерфейс, блок предварительной выборки, блок декодирования команд, исполнительный блок, блок сегментации, блок страничной адресации.

     Четвертое поколение процессоров. Концепция параллельного функционирования внутренних устройств нашла свое дальнейшее развитие в процессоре i80486 (1989 г., модели SX, SX2, DX, DX2, DX4) в виде конвейеризации вычислений (5 ступеней). Основные отличия: наличие встроенного математического сопроцессора (модели DX, DX2, DX4); поддержка многопроцессорного режима работы; два вида кэш-памяти – внутренней 8 Кбайт (L1) и внешней (L2). Начиная с процессора i80486, все последующие модели процессоров Intel поддерживают различные концепции энергосбережения. Интересно, что совершенствование i80486 шло в ходе его промышленного выпуска. Вследствие этого по своим возможностям следующие по времени выпуска процессоры i80486 отличались от предыдущих.

     Пятое поколение процессоров. Первый Pentium 60 (66), знаменитый своей ошибкой блока с плавающей точкой, был представлен в начале 1993 г. К внутреннему кэшу команд добавили 8 Кбайт для данных. Разработана суперскалярная архитектура (с двумя конвейерами u и v) – выполнение двух команд за один такт. Реализована технология предсказания переходов (branch prediction). Внутренние шины стали 128 и 256 бит, внешняя шина данных 64 бит.

     Шестое поколение процессоров. Линейку процессоров Pentium 75-200 МГц можно охарактеризовать по следующим особенностям: кэш L1 16 Кбайт на кристалле процессора; кэш L2 256/512 Кбайт внешний на материнской плате; технология изготовления 0,35 микрон (для процессоров 120 МГц и ниже 0,6 микрон); содержит около 3,3 миллиона транзисторов.

В это время  помимо Intel, можно отметить еще двух производителей процессоров это Cyrix и AMD, которые совместно с IBM разрабатывают стандарт "Р-рейтинг" для обозначения производительности процессора. "Р-рейтинг" любого процессора равен величине тактовой частоты процессора Intel Pentium, показавший такой же или более высокий результат в абсолютно идентичной конфигурации. Конечно, кроме рейтинга, эти две корпорации выпустили еще и процессоры, которые по соотношению цена/возможности превосходили процессоры Intel.

AMD выпускает  процессор К5-PR133 (реально работающий  на частоте 116,7 МГц). Этот процессор  имеет встроенный кэш 24 Кбайт,  технология изготовления 0,35 микрон, около 4,3 миллионов транзисторов. Процессоры CYRIX (и идентичные им с лейблом IBM) имеют официальные названия 6х86 Р120+, 6х86 Р133+, 6х86 Р150+, 6х86 Р166+, 6х86 Р200+. При выполнении 32-разрядных тестов процессоры К5 и 6х86 показывают примерно на 11% большую производительность на соответствующем процессоре Pentium. Особенности 6х86: кэш 16 Кбайт, дополнительный кэш для команд 256 б; технология изготовления 0,5 микрон (0,65 для Р120+); количество транзисторов около 3 млн.

     Седьмое поколение процессоров. В конце 1995 г. Intel выпускает Pentium Pro, который до начала 1997 г. остается самым мощным  и дорогим процессором. С этого процессора начинается архитектура Р6. Он выпускался с тактовыми частотами 150-200 МГц, имеет встроенный кэш первого уровня 16 Кбайт, второго 256/512 Кб (на кристалле процессора), технология изготовления 0,35 микрон, внутренняя шина 300 бит, около 5,5 млн. транзисторов. Высокая стоимость самого процессора и системной платы под него, высокое энергопотребление, а также заметный прирост производительности только под 32-разрядними операционными системами (Windows NT, OS/2) делают нецелесообразным использование Pentium Pro в компьютерах массового спроса, он находит свое применение в серверах и рабочих станциях.

Начиная с модели Pentium 133, был введен блок ММХ-команд (MultiMedia eXtensions). Цель данного блока увеличить  производительность приложений по обработке  звука, изображений, архивирования  и др. Работа по обработке изображений  на процессорах с ММХ выполнялась  на 50% быстрее (если приложение не оптимизировано под ММХ, то на 7-11%). Кроме блока  ММХ-команд, изменился еще и размер кэш-памяти до 32 Кбайт. Процессоры Pentium ММХ выпускались с рабочими частотами 133-233 МГц.

1997 г. - процессоры Pentium ММХ снимаются с производства, а в качестве альтернативы Intel выпускает Pentium II и Celeron. Если считать Pentium ММХ – обычным Pentium + ММХ, Pentium II – это усовершенствованный Pentium Pro с поддержкой ММХ. В этом процессоре удвоен объем кэш-памяти 16 Кбайт – для данных, 16 Кбайт – для команд. Кэш второго уровня выполнен не на кристалле (с целью удешевить процессор) и не на материнской плате (заметное снижение быстродействия). Был разработан новый разъем для процессора Slot 1 и сам процессор теперь представлял собой не отдельную микросхему, а картридж, внутри которого находился процессор и кэш второго уровня 512 Кбайт. При этом частота работы кэш-памяти второго уровня была в 2 раза ниже частоты процессора. Частота системной шины первых Pentium II была 66 МГц, а сами процессоры при этом работали на частотах 233-333 МГц. Позже Intel выпускает модификации Pentium II для частоты системной шины 100 МГц (модельный ряд 350, 400 МГц).