Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (История создания микропроцессоров).pdf
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 13
Скачиваний: 0
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня практически не одно устройство не обходится без электронной начинки, которая в свою очередь управляется микропроцессорами. Только благодаря их стремительному развитию мы смогли получить множество «умных» приборов, которые в разы смогли облегчить нам жизнь: начиная от браслетов, заканчивая «умным домом».
За каких-то 70 лет мы смогли уместить огромные компьютеры, которые занимали десятки квадратных метров, в устройство, умещающееся в ладони, при этом производительность второго только увеличилось в несколько сотен раз. Неизменно осталось только одно – в основе всех процессоров лежат транзисторы: с изменением их размеров изменялся и размер микрочипа.
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.
В этой работе мы рассмотрим всю историю развития процессоров, их классификацию, структуры, основные характеристики и в какую сторону ждет их дальнейшее развитие. Проведем анализ и сравнение современных наиболее популярных микропроцессоров.
Глава 1. История создания микропроцессоров
Прежде чем углубляться в историю развития центральных процессоров, необходимо сказать несколько слов о развитии компьютеров в целом. Первые ЦПУ (от англ. CPU - central processing unit или центральное процессорное устройство) появились еще в 40-х годах XX века. Тогда они работали с помощью электромеханических реле и вакуумных ламп, а применяемые в них ферритовые сердечники выполняли роль запоминающих устройств. Для функционирования компьютера на базе таких микросхем требовалось огромное количество процессоров. Подобный компьютер представлял собой огромный корпус размером с достаточно большую комнату. При этом он выделял большое количество энергии, а его быстродействие оставляло желать лучшего.
Однако уже в 1950-х годах в конструкции процессоров стали применяться транзисторы. Благодаря их применению инженерам удалось добиться более высокой скорости работы чипов, а также снизить их энергопотребление, но повысить надежность.
В 1960-х годах получила свое развитие технология изготовления интегральных схем, что позволило создавать микрочипы с расположенными на них транзисторами. Сам процессор состоял из нескольких таких схем. С течением времени технологии позволили размещать все большее количество транзисторов на кристалле, в связи с чем количество используемых в ЦПУ интегральных схем сокращалось.
Тем не менее, архитектура процессоров была всё ещё очень и очень далека от того, что мы видим сегодня. Но выход в 1964 году IBM System/360 немного приблизил дизайн тогдашних компьютеров и ЦПУ к современному — прежде всего в плане работы с программным обеспечением. Дело в том, что до появления этого компьютера все системы и процессоры работали лишь с тем программным кодом, который был написан специально для них. В своих ЭВМ компания IBM впервые использовала иную философию: вся линейка разных по производительности CPU поддерживала один и тот же набор инструкций, что позволяло писать ПО, которое работало бы под управлением любой модификации System/360.
Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004 (рис.1), представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel, у которого на кристалле микросхемы физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц и стоил $300.
Рис.1. Процессор Intel 4004
Далее его сменили 8-разрядный Intel 8080 (Рис.2) и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешевый 8088, упрощенная версия 8086, с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели. Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.
Ри.2. Процессор Intel 8008
За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).
В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.
До конца 60х годов XX века советская вычислительная техника развивалась быстрыми темпами. Множество НИИ разрабатывали ЭВМ самых разных типов, не уступавших лучшим западным образцам. Все это богатейшее хозяйство было совершенно несовместимо друг с другом, да такой задачи разработчикам и не ставилось.
Тем не менее ближе к 70м годам руководство страны приняло решение унифицировать выпускаемую электронновычислительную технику и ввести аппаратную и программную совместимость между ЭВМ различного применения. Новая концепция получила название «Единое Семейство» (ЕС ЭВМ), причем за основу были взяты не отечественные разработки, а архитектура IBM 360. Чуть позже, в середине 70х, для мини и микроЭВМ приняли архитектуру PDP11 американской компании DEC.
Для отрасли это имело катастрофические последствия. Все многолетние наработки были выброшены на свалку. Отныне уделом разработчиков ЭВМ стало копирование западных образцов и освоение импортных технологий.
После отмирания PDP11 советская промышленность перешла на копирование процессоров Intel и Zilog. Так, все персональные компьютеры 80х годов, такие как «Радио 86РК», «Микроша», «Вектор06Ц», «Корвет», «СМ1800» и т.д., были построены на отечественных аналогах Intel 8080, а чуть позже большую популярность получили клоны ZX Spectrum, построенные на микросхемах КР1858ВМ1 и КР1858ВМ3, неотличимых от Zilog Z80.
Вынужденное следование «в хвосте» привело к неизбежному отставанию электронной промышленности Советского Союза от западных компаний. Постепенно отставание накапливалось и к 1991 году составляло уже около десятка лет.
Американская компания Advanced Micro Devices начала выпуск микропроцессоров еще в 1974 году. Первый продукт, AMD 9080, был полным клоном процессора Intel 8080, причем параллельно с ним выпускался собственный, ни с чем не совместимый 4-разрядный комплект микросхем Am2900, использовавшийся в разнообразных цифровых устройствах.
Продолжая производить клоны по лицензии Intel, AMD долгое время поддерживали свое семейство 32-разрядных RISC-процессоров Am29000, широко использовавшихся в лазерных принтерах. В 1995 году компания прекратила разработку Am29000 и перебросила освободившихся инженеров на x86-проекты. Вскоре это дало плоды, AMD начала уходить от копирования интеловских процессоров. Уже в следующем году был выпущен процессор AMD K5, имевший производительность большую, чем Intel Pentium, за счет четырехконвейерной архитектуры, позволявшей выполнять до четырех команд одновременно, причем новой технологии поддержка со стороны ПО не требовалась. Зато желательна была оптимизация программ под K5, за счет чего производительность повышалась на 30%.
Рис.3. Intel Core i7-2600K и AMD Phenom II
Симбиоз Intel и AMD закончился двенадцать лет назад – с выпуском семейства AMD K7. Новые процессоры, получившие торговую марку Athlon, имели архитектуру, совершенно отличную от Intel. Они устанавливались в фирменный разъем Slot A и требовали других чипсетов. В этой точке пути компаний разошлись, и мир пользователей персональных компьютеров окончательно раскололся на два лагеря: поклонников AMD и адептов Intel, отношения между которыми до сих пор остаются напряженными.
По сути, после отчаянной борьбы за место под солнцем остались лишь две компании, производящие микропроцессоры для ПК, – Intel и AMD. Калифорнийские гиганты буквально наступают друг другу на пятки, поочередно выпуская все более и более мощные процессоры, стремясь обогнать и превзойти конкурента. О бюджетной нише уже давно речи не идет: борьба ведется за все сегменты рынка, от встраиваемых решений до серверных процессоров.
Глава 2. Основная классификация микропроцессоров
Процессоры в основном делятся на два типа – универсальные и специализированные. Отличаются они по характеристикам и типам выполняемых задач. В свою же очередь эти два класса также делятся на подклассы по своим характеристикам, которые складываются из их особенностей.
Ниже рассмотрим каждый класс и их примеры.
Универсальный процессор – процессор, имеющий архитектуру, набор структурных блоков, систему команд и конструктивно-технологическое исполнение, позволяющее одинаково эффективно применять его для решения достаточно широкого круга разнотипных задач и использовать в различных условиях (рис. 4). К таковым относят в основном ЦПУ (CPU) персональных компьютеров, серверов, смартфонов и т.д.
Сами же универсальные процессоры могут быть классифицированы по своим характеристикам: по архитектуре, сокету, по количеству ядер, выполняемых задач в секунду и тактовой частоты, и прочие. Далее в следующей главе мы рассмотрим каждую из характеристик универсальных процессоров более подробно.
Рис. 4. Универсальные процессоры х86
CISC (англ. Complex Instruction Set Computing) — концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:
- большим числом различных по формату и длине команд;
- введением большого числа различных режимов адресации;
- обладает сложной кодировкой инструкции.
Процессору с архитектурой CISC приходится иметь дело с более сложными инструкциями неодинаковой длины. Выполнение одиночной CISC-инструкции может происходить быстрее, однако обрабатывать несколько таких инструкций параллельно сложнее.
Облегчение отладки программ на ассемблере влечет за собой загромождение узлами микропроцессорного блока. Для повышения быстродействия следует увеличить тактовую частоту и степень интеграции, что вызывает необходимость совершенствования технологии и, как следствие, более дорогого производства.
CISC архитектуру реализуют в основном компании Intel и AMD в х86 процессорах, которые, в свою очередь, используются в настольных компьютерах и ноутбуках, реже в планшетных компьютерах.
RISC (Reduced Instruction Set Computing) – процессор с сокращенным набором команд, то есть имеют упрощенный вид. Все команды одинакового формата с простой кодировкой. Обращение к памяти происходит посредством команд загрузки и записи, остальные команды типа регистр-регистр. Команда, поступающая в CPU, уже разделена по полям и не требует дополнительной дешифрации.