Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессоров..pdf

Содержание:

Введение

В наше время домашний персональный компьютер стан неотъемлемой частью повседневной жизни. Цифровые технологии глубоко внедрились во все без исключения области современного общества и производства. Понадобится огромное количество времени, чтобы перечисть сферы деятельности, работу в которых значительно упростило наличие компьютера.

Тем не менее, мало кто задумывается, насколько технически сложным является обычный персональный компьютер. Ведь понятие «компьютер» включает в себя несколько отдельных составляющих, подобранных согласно специфике работы. Одной из таких составляющих является центральный процессор персонального компьютера, значение которого сложно переоценить. Имеет смысл подробнее рассмотреть его роль в общем функционировании, как обыкновенного домашнего компьютера, так и специализированных устройств. Для этого сначала нужно понять, что же всё-таки представляет собой процессор персонального компьютера. Так же необходимо ознакомиться со всеми основными этапами развития технологий его производства, и, конечно же, разобраться в основных принципах его работы, а так же понять, почему рынок процессоров так богат различными модификациями, и чем же они отличаются друг от друга.

1. Определение процессора. Краткая история эволюции процессоров.

1.1 Определение.

Персональный компьютер это довольно сложное техническое устройство, содержащее в себе довольно много различных процессоров. Каждая его составляющая, будь то видеокарта, системная шина или еще что-либо, обслуживается своим собственным процессором или процессорами. Однако архитектуру и конструктивное исполнение персонального компьютера определяет центральный процессор или процессоры, контролирующие и обслуживающие системную шину и оперативную намять, и, что более важно, выполняющие объектный код программ.

Центральный процессор представляет собой специально выращенный кристалл кремния, на котором располагается огромное количество микротранзисторов, которые соединены алюминиевыми проводниками. Первые компьютеры появились ещё в первой половине прошлого века, работая на вакуумных лампах и электромеханических реле. Именно они обеспечивали работоспособность первых вычислительных машин. В 60-х годах появились первые интегральные микросхемы, на долгое время ставшие неотъемлемой частью любой вычислительной машины. Годом появления современного центрального процессора можно смело назвать 1971-й год^[1].

1.2 История эволюции.

Первым однокристальным процессором является 4-х битный Intel 4004, увидевший свет 15 ноября 1971 года. Компания Intel только начинала свой путь развития и ее создатели, Роберт Нойс, Эндрю Гроув и Гордон Мур приложили колоссальные усилия для того, чтобы спустя некоторое время их детище стало одним из лидеров современного рынка^[2]. Также благодаря работе итальянского физика Федерико Фаджина, инженеры компании разместили ключевые компоненты на один чип, так появился микропроцессор 4004^[3].

Данный процессор производился по 10-ти микрометровой технологии, насчитывал 2250 транзисторов, что довольно мало в сравнении с современными процессорами и работал на частоте 108 кГц, а это значит производил 92 600 операций в секунду. Частота синхронизации была 740 кГц. Объем памяти составлял 4 Кб, разрядность шины была 4 бита, а площадь кристалла составляла 12 мм2.

Немногим позже компания выпускает первый 8-ми битный центральный процессор Intel 8008. Его разработка шла одновременно с 4004, а заказчиком являлась компания Computer Terminal Corporation. Но процесс производства слишком затянулся, да и технические показатели были ниже ожидаемых, так что заказчик в итоге от процессора отказался.

По своим показателям процессор 8008 во многом соответствовал предыдущей версии. Он производился по тому же 10-ти микрометровой технологии и содержал 3500 транзисторов. Внутренний стек поддерживал 8 уровней, а объем памяти был уже 16 Кб. Тактовая частота была ниже, чем у 4004 и составляла 500 кГц. По показателм скорости 8-ми битный процессор уступал 4-х битному. Разрядность шины составляла 8 бит. Процессор мог обратиться к 8 портам ввода и 24 портам вывода.

В1972 году проект Sac State 8008 стал одной из первых компьютерных систем на основе процессора. Это был полноценный компьютер с дисковой операционной системой, цветным дисплеем, 8 Кб оперативной памяти и диском 3+2 Мб, клавиатурой, модемом, принтером. Основным его назначением было хранение и обработка медицинских записей.

В начале 1974 года компания Intel выпускает более продвинутую версию - 8-ми битный процессор Intel 8080. Он производился уже по новому 6-ти микрометровой технологии с использованием технологии NMOS, которая позволяла разместить на кристалле 4758 транзисторов. Тактовая частота достигла 2 МГц, а со временем 2,5 МГц, 3,1 МГц и 4 МГц, объем памяти был уже 64 Кб. Разрядность шины данных составляла 8-бит, а шины адреса – 16 бит. У 8080 была довольно развита система команд: 16 команд передачи данных, 31 команда для их обработки, 28 команд для перехода, 5 команд управления.

Благодаря высокой производительности процессор пользовался успехом. На базе Intel 8080 компания MITS выпустила компьютер Altair-8800. Несмотря на всего 256 байт оперативной памяти, отсутствие клавиатуры и монитора, он имел высокие рейтинги продаж и был чрезвычайно популярен.

Существовало несколько аналогов Intel 8080 от других производителей, например National Semiconductor, NEC, Siemens и AMD. Был и советский аналог от Киевского НИИ микроприборов - процессор КР580ВМ80А выпущеный в 1977 году. В 1974 году компания Motorola выпустила свой вариант процессора - 6800. Кристалл был сделан по 6-ти микрометровой технологии, имел тактовую частоту 2 МГц и память 64 Кб. Процессор имел 16-ти битную адресную шину и систему команд из 78 операций.

Motorola 6800 завоевал популярность и применялся во многих персональных компьютерах. С использованием его архитектуры были разработаны микроконтроллеры Motorola 6801 и 6803.

Годом позже компания MOS Technology представила 8-разрядный опроцессор 6502^[4]. По сути, этот процессор был модернизированной версией 6501, потерпевшей фиаско из-за совместимости по выводам с Motorola 6800. По своим характеристикам процессор уступал конкурентам 8080 и 6800. Он имел 16-ти битную адресную шину, 64 Кб оперативной памяти. Тактовая частота была всего 1 МГц, а сам процессор имел CISC-архитектуру^[5].

Преимуществом этой модели была цена - в разы дешевле чем у прямых конкурентов Intel и Motorola. Это повлияло на рост продаж процессора.

Процессор 6502 использовался в таких персональных компьютерах, как Apple I, Apple II, Commodore PET. Также данный процессор нашел применение в игровой индустрии, начиная с приставки Atari 2600, где использовалась модель 6507.

MOS Technology предоставили лицензии некоторым компаниям на производство и применение процессоров 6502.

В 1975 году из Intel ушел один из создателей процессора Федерико Фаджин. Вместе с инженером Ральфом Уингерманном и коллегой из Японии Масатоси Симой они основали компанию Zilog. Уже летом 1976 года свет увидел процессор Zilog Z80, по своей архитектуре напоминающий улучшенный 8080. У процессора был расширенный набор команд, появились новые регистры, режимы прерываний и два отдельных блока регистров.

Z80 производился по 3-х микрометровой технологии с использованием технологии КМОП, содержал в себе 8500 транзисторов. Тактовая частота возросла в пределы 2,5 МГц - 8 МГц для основной версии и 1 МГц - 20 МГц для КМОП-версии. Объем памяти составлял 64 Кб, с 16-ти битной адресной шиной. Площадь кристалла составляла 22,54 мм2. Кроме технических преимуществ, данный процессор стоил дешевле интеловского конкурента.

Процессор выпускался в разных вариантах: Z80 (2,5 МГц), Z80A (4 МГц), Z80B (6 МГц) и Z80H (8 МГц). Использовался в компьютерах Sharp, NEC и некоторых других.

В 1978 году компания Intel выпустила первый 16-ти битный процессор 8086. На его разработку было потрачено более двух лет. Процессор производился по 3-х микрометровой технологии, состоял из 29 000 транзисторов. Объем памяти был уже 1 Мб. Тактовая частота достигла 4 МГц - 10 МГц, разрядность регистров и шины данных составляла 16 бит, а разрядность шины адреса - 20 бит. Intel 8086 отличался относительно высокой скоростью работы.

В процессоре 8086 было четырнадцать 16-ти разрядных регистров: 4 общего назначения (AX, BX, CX, DX), 2 индексных регистра (SI, DI), 2 указательных (BP, SP), 4 сегментных регистра (CS, SS, DS, ES), программный счётчик или указатель команды и регистр флагов (FLAGS, включает в себя 9 флагов).

Для увеличения продаж 8086 Intel выпустила процессор 8088, который во многом соответствовал предшественнику, разве что уменьшилась ширина шины, с 16 бит до 8 бит, что позволило процессору работать с 8-разрядными микросхемами поддержки. Также несколько изменилась архитектура. В процессоре Intel 8088 использовалась очередь упреждающей выборки длиной не 6 байт а 4 байта.

В 1981 году процессор использовался в первой модели линейки IBM РС 5150. Многие крупные компании, вроде AMD, Siemens и NEC делали технические копии 8088.

В 1979 году компания Zilog выпустила свой 16 битный процессор Z8000. Он производился по 6-и микрометровому - 3-х микрометровой технологии с общим количеством транзисторов 17500. Тактовая частота изменялась от 4 МГц до 10 МГц для основной линейки и от 4 МГц до 20 МГц для КМОП. Память достигала 8 Мб для Z8001 и 64 Кб для Z8002. Разрядность шины данных была 16 бит, а шины адреса - 23 бит (в версии Z8002 - 16 бит).

Первыми в оборот поступили две версии процессора: Z8001 и Z8002 отличающиеся тем, что первый работал с адресацией до 8 Мб памяти, а второй лишь до 64 Кб. Уже после свет увидели модели Z8003 и Z8004, работающие с виртуальной памятью. 

Процессоры можели Z8000 применялись в настольных компьютерах Unix, позволяющих создавать, в свою очередь, первые многопользовательские системы.

В 1979 году была представлена серия процессоров CISC архитектуры Motorola 68000. Кристалл имел 32-х битное ядро, но работал через 16-и битные шины данных и 24-разрядную шину адресов. Его частота составляла 8 МГц - 20 МГц, а количество транзисторов достигло 68 000 штук. Процессор выпускался в форм-факторе DIP с 64 контактами. Помимо этого были так же модели с разъемами LCC и PGA.^[6] 

Процессор приобрел популярность у многих компаний и использовался в различных вариантах персональных компьютеров, но наиболее известными стали компьютеры Apple Lisa и Apple Macintosh.

Далее в линейке Intel стартовал процессор 80186, в основу которого легла архитектура 8086. Он производился по 3-х микрометровой технологии и содержал в себе 134 000 транзисторов. Объем памяти составлял 1 Мб, разрядность шины данных была 16-бит, а шины адреса - 20-бит. Тактовая частота варьировалась в диапазоне 6 МГц - 25 МГц. 

В данном процессоре были добавлены новые команды:
- два контроллера прямого доступа к памяти со схемами прерываний (DMA);
- дешифраторы адреса;
- трехканальный программируемый таймер-счетчик;
- генератор синхронизации;
- программируемый контроллер прерываний.

Процессоры мало применялись в компьютерах, только в некоторых моделях ПК, вроде Compis (Швеция), RM Nimbus (Великобритания), Unisys ICON (Канада), HP 200lx (США), и Tandy 2000 (США).^[7]

Следующая модель появилась в феврале 1982 года и представляла собой 16-битный x86-совместимый процессор второго поколения 80286 с поддержкой реального режима. За счет изменения механизма адресации памяти в защищенном режиме емкость адресного пространства могла составлять до 1 Гб.

По своим техническим характеристикам данный процессор превосходил предшествующую модель. Он выпускался по 1,5 микрометровой технологии с количеством транзисторов в 134 000 штук. Оперативная память составляла 16 Мб, а в защищенном режиме можно было использовать до 1 Гб виртуальной памяти. Разрядность регистров и шины данных составляла 16-и бит. В разных моделях тактовая частота могла быть 6 МГц, 8 МГц, 10 МГц или 12,5 МГц, при которой процессор выполнял 2,66 млн операций за одну секунду.

В 1984 году компания Western Design Center выпустила 16-ти битный процессор W65C816S, который использовал 24-х битную адресацию памяти и поддерживал до 16 Мб памяти с произвольным доступом, а также расширенный набор инструкций.

Применялся этот процессор в компьютере Apple IIGS, а также системах Acorn Communicator и C-One.

В 1985 году вышел 32-битный процессор третьего поколения Intel 80386 или i386 с архитектурой x86^[8]. Процессор имел обратную совместимость с 8086 и 80286. Производился по 1,5 - 1,0 микрометровой технологии. Используя страничное преобразование процессор мог адресовать до 4 Гб физической памяти и до 64 Гб виртуальной памяти. Тактовая частота составляла 12 МГц - 40 МГц.

Процессор Intel i386 производился в нескольких модификациях, разнящихся между собой производительностью, потребляемой мощностью, разъемами, корпусами и другими характеристиками.

Compaq Deskpro 386 стал первым компьютером, использующим данный процессор. Также модель была первым 32-разрядным процессором для настольных и портативных компьютеров IBM PC.