История развития процессоров

Человеческий ум может судить
о будущем не иначе, как обдумывая прошедшее.
А. Ферран

Процессор — важнейший элемент ЭВМ, поэтому производством процессоров занимаются многие фирмы. Наиболее массовое распространение в настоящее время получили процессоры, произведенные фирмой Intel (США).

По конструктивному признаку все процессоры делятся на разрядно-модульные (собираются из нескольких микросхем) и однокристальные(изготавливаются в виде одной микросхемы, на одной подложке, на одном кристалле). Однокристальные процессоры в настоящее время получили наибольшее распространение.

По способу представления команд (иногда говорят – инструкций) все микропроцессоры можно разделить на две группы:

· процессоры типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд;

· процессоры типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд. Эти процессоры нацелены на быстрое выполнение небольшого набора простых команд. При выполнении сложных команд RISC-процессоры работают медленнее, чем CISC-процессоры.

Заметим, что эти две архитектуры процессоров постоянно сближаются, отбирая лучшие свойства каждой. Тем не менее более перспективной считается RISC-архитектура.

Под термином «архитектура» понимается конструкция процессора и имеющаяся система команд процессора (набор инструкций).

Самым первым процессором, выпущенным фирмой Intel в 1971 году, был четырехразрядный процессор Intel 4004 (табл. 8.1).

В 1974 году был разработан восьмиразрядный процессор Intel 8080 (отечественный аналог КР580ВМ80А), а в 1978 году — процессор Intel 8086, который был совместим с микропроцессором Intel 8080. Система команд процессора насчитывала 134 команды. На базе микропроцессора 8086 и его модификации 8088 выпускались компьютеры IBM PC и IBM PC/XT.

Заметим, что в технической литературе порой используют термин «процессор», а иногда термин «микропроцессор». Различие указанных терминов заключается в уточнении технологии изготовления и габаритов процессора.

Микропроцессор (МП) изготавливается по полупроводниковой технологии и размещается на одном кристалле, в одной микросхеме (иногда говорят — в одном чипе).

Таблица 8.1. Иерархия процессоров и их характеристики

В 1980 году был анонсирован сопроцессор с плавающей точкой 8087, который расширил состав команд процессора 8086 почти на 60 новых команд.

Сопроцессор — это специальная микросхема (помощник), которая берет на себя часть важных функций процессора, чаще всего выполнение арифметических операций с плавающей точкой.

Сопроцессор реализует арифметические операции аппаратным способом, что осуществляется намного быстрее по сравнению с программным способом вычислений, которым реализуются операции процессором без использования сопроцессора. По этой причине его иногда называют математическим сопроцессором.

Разработанный в 1982 году микропроцессор Intel 80286 еще больше усовершенствовал конструкцию МП 8086. Была реализована защита памяти, расширено адресное пространство, а также добавлено несколько команд.

Заметим, что во многих литературных источниках вместо полного наименования марки процессоров используются их сокращенные названия. Например, вместо Intel 80286 пишут 286, а вместо Intel 80386 — 386. Порой для общего обозначения процессоров серий 80286, 80386, 80486 записывают 80`86 (и даже `86). Название фирмы Intel иногда сокращают до одной буквы, например i80486.

Процессор Intel 80286 может выполнять программы, разработанные для процессора Intel 8086. Способность процессора последующей модификации выполнять программы, разработанные для процессоров предыдущей конструкции, называется совместимостью процессоров снизу вверх. Другими словами, программы, разработанные для предыдущих конструкций процессоров, работают без исправлений и дополнений на процессорах новых конструкций.

Начиная с МП 80286, процессоры фирмы Intel поддерживают режим выполнения нескольких задач — так называемый многозадачный режим. При работе в многозадачном режиме процессор поочередно переключается от одной задачи к другой, но в каждый текущий момент времени обслуживается лишь одна программа.

Для процессора 80286 выпускался сопроцессор 80287. На базе этих микросхем, начиная с 1984 году, компания IBM производила персональные компьютеры IBM PC/AT.

В 1987 году появился микропроцессор 80386. Начиная с этого процессора, во всех процессорах используется конвейерное выполнение команд — одновременное выполнение в разных частях МП нескольких последовательно записанных в ОЗУ команд. Конвейерное выполнение команд увеличивает быстродействие ЭВМ в 2–3 раза.

МП 80386 может функционировать в двух основных режимах:

· режиме реальной адресации, который характеризуется тем, что МП работает как очень быстрый процессор 8086 с 32-разрядными шинами;

· режиме защищенной виртуальной адресации, который характеризуется параллельным выполнением нескольких задач, как бы несколькими процессорами 8086, по одному на каждую задачу.

Процессор 80486 разработан в 1989 году и содержит более миллиона транзисторов.

Процессоры i486SX и i486DX — это 32-разрядные процессоры, у которых внутренняя кэш-память первого уровня имеет емкость 8 Кбайт. Основное отличие одного от другого заключается в том, что в процессоре i486DX впервые сопроцессор размещен на общей подложке (на одном кристалле) с процессором. В МП i486SX отсутствует встроенный сопроцессор для выполнения операций с плавающей точкой. Поэтому он имеет меньшую цену и применяется в ЭВМ, для которых не очень важна производительность при обработке вещественных чисел. По желанию пользователя такие ЭВМ могут быть укомплектованы дополнительным сопроцессором i487SX, который изготовляется в виде отдельной микросхемы.

В процессоре i486DX2 применяется технология удвоения внутренней тактовой частоты. Это позволяет увеличить производительность процессора почти на 70%. Процессор i486DX4/100 использует технологию утроения тактовой частоты. Он работает с внутренней тактовой частотой 99 МГц, в то время как внешняя тактовая частота составляет 33 МГц (частота, на которой работает системная шина).

В процессоре Pentium (появился в 1993 году) стали использоваться элементы структуры RISC-процессоров. Он изготовлен по 0,8-микрометровой технологии и содержит 3,1 млн транзисторов. Процессор Pentium иногда обозначают P5 или 80586.

Термин «0,8-микронная технология» означает, что каждый транзистор размещается на кристалле внутри квадрата с указанным размером стороны.

Первоначальная реализация процессора Pentium была рассчитана на работу с тактовыми частотами 60 и 66 МГц. Впоследствии были разработаны процессоры Pentium, работающие с тактовыми частотами 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200 МГц.

Прогресс в области разработки и производства процессоров идет непрерывно.

1 ноября 1995 года появился первый процессор Pentium Pro (80686, Р6) с тактовой частотой 150 МГц.

8 января 1997 года появился процессор Pentium MMX с тактовой частотой 166 МГц.

Технология ММХ (Multimedia Extension мультимедийное расширение) предполагает включение в состав команд процессора Pentium набора из 57 новых команд. Новые команды предназначены в первую очередь для реализации алгоритмов обработки видео- и аудиоданных: фильтрации, преобразований Фурье, свертки и пр.

Технология Intel MMX позволяет обрабатывать несколько пакетов данных одинаковым образом, т. е. использует технологию SIMD.

Число транзисторов в процессоре Pentium MMX составляет 4,5 млн штук, а кэш-память первого уровня имеет объем 32 Кбайта. Как показали испытания, MMX-процессор увеличивает производительность по сравнению с обычным процессором Pentium на величину до 34%.

В 1995–1997 годах корпорация Intel выпустила еще несколько моделей: Pentium MMX 266 МГц и Pentium Pro 200 МГц.

7 мая 1997 года появился процессор Pentium II с тактовой частотой 233 МГц.

15 апреля 1998 года фирма Intel представила модели Pentium II с тактовыми частотами 350 и 400 МГц.

Процессор Pentium II изготавлен по так называемой 0,25-микрометровой технологии. При этом каждый транзистор умещается в квадрате со сторонами в четверть микрометра. На срезе человеческого волоса можно уместить 30 000 таких транзисторов. В будущем предстоит переход на технологии 0,18 и 0,13 микрометра.

С целью завоевания рынка фирма Intel выпустила недорогой процессор Celeron, в котором первоначально отсутствовала кэш-память второго уровня.

24 августа 1998 года фирма Intel представила еще два процессора семейства Celeron — 300A и 333. Новые процессоры выполнены по 0,25-микрометровой технологии и содержат кэш-память второго уровня размером 128 Кбайт.

2 августа 1999 года вышел Pentium III, работающий на частоте 600 МГц.

По сравнению с Pentium II в нем для увеличения быстродействия еще больше усилено распараллеливание процессов.

Кроме того, Pentium III отличается наличием уникального идентификационного номера, который может быть считан программно для определения личности пользователя (например, при совершении покупок через Интернет).

В ноябре 2000 года выпущен процессор Pentium 4 с тактовыми частотами 1,4 и 1,5 ГГц. Процессор Pentium 4 изготавливается по 0,18-микрометровой технологии. В процессоре используется 144 новых команд (инструкций), предназначенных для ускорения обработки видео-, мультимедиа, трехмерной графики и криптографии.

Рис. 8.1. Зависимость числа транзисторов в процессорах фирмы Intel от даты выпуска

В 1965 году один из будущих руководителей компании Intel Гордон Мур сделал предсказание, что плотность транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые полтора-два года с соответствующим возрастанием производительности процессора. «Закон Мура» с некоторыми оговорками действует до сих пор. На гистограмме схематично показан процесс увеличения числа транзисторов в процессорах фирмы Intel.