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

Существовало довольно большое количество копий i386, которые производились компаниями AMD, Cyrix и IBM. Первая в линейке модель компании AMD была Am386DX, которая, не уступая по своим техническим характеристикам, стоила дешевле, имея при этом тактовую частоту 40 МГц. Также хорошо воспринялись покупателями копии компании Cyrix 86SLC и 486DLC. Самыми известными копиями компании IBM были процессоры 386SLC и 386DLC, которые использовались в настольных компьютерах IBM PS/2 и PS/ValuePoint.

Следующие 32-х битные процессоры компании intel i486 имели более высокую производительность благодаря модернизации. Кристалл содержал почти 1,2 миллионов транзисторов, около половины которых отводилось для кэш-памяти. Производились по 1-но, а позже и по 0,8 и 0,6 микрометровым технологиям. Объем памяти был 4 Гб. Тактовая частота составляла 25 МГц - 50 МГц.

Процессор дополнился:
- кэш-памятью 8 Кб;
- вычислительным конвейером, занимающимся разделением обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий с сохранением результатов в конце каждой из них. Конвейер включал в себя выборку, декодирование, декодирование адресов операндов, выполнение команды и запись результата выполнения инструкции;
- встроенным сопроцессором, помогающим выполнять математические операции над вещественными числами;
- множителем. 

Как и предыдущие модели, разные компании также копировали Intel i486. Производством копий занимались AMD, Cyrix, IBM, Texas Instruments и другие.

С 1984 по 1990 годы компания Motorola выпустила свою линейку 32-х битных процессоров: 68020, 68030, 68040. Флагман 68020 производился по 2-х микрометровой технологии и содержал в себе 190 000 транзисторов^[9]. Его тактовая частота составляла 12 МГц - 33 МГц. 68020 стал первым в линейке Motorola 68k со встроенной кэш-памятью первого уровня объемом 256 байт и применялся в компьютерах Apple Macintosh II и Apple Macintosh LC. 

В 1987 году на рынке появляется 68030. В процессоре применялась динамическая шина данных, функционирующая в 8-и битных, 16-и битных и 32-х битных режимах. Появилось дополнительно 256 байт кэш-памяти первого уровня. Тактовая частота изменялась от 16 МГц до 50 МГц. 

Motorola 68030 также использовался в компьютерах Apple Macintosh II и Commodore Amiga, в системах Next Cube, Sun 3/80, Atari TT и Atari Falcon.

В 1990 году на рынке появился процессор 68040 со встроенным сопроцессором. Объем кэш-памяти инструкций и кэш-памяти данных вырос до 4 Кб. Принцип работы процессора основывался на вычислительных конвейерах, состоящих из шести стадий. Тактовая частота выросла до 40 МГц. 

Процессор 68040 стал основой High-End-системы Macintosh Quadra. Macintosh Centris и Performa также использовали процессоры семейства 68040.

В период с 80-х по 90-е компания DEC выпустила целую серию 32-х битных процессоров, базировавшихся на собственной архитектуре VAX - 32-х битной компьютерной архитектуре, разработаной Digital Equipment Corporation в рамках проекта Star. 

Первым в линейке был процессор MicroVAX 78032. Он изготавливался по 3-х микрометровой технологии и включал в себя 125 000 транзисторов, работая на частоте 5 МГц.

В 1987 году увидел свет чипсет CVAX с тактовой частотой 11,11 МГц или 12,5 МГц. Производился он с помощью технологии CMOS первого поколения, общий объем кэш-памяти инструкций и данных составлял 1 Кб с поддержкой 64 Кб внешней кэш-памяти.^[10]

Стоит так же отметить процессоры внутреннего рынка Японии. 

В 1986 году компания NEC выпустила свой первый 32-х битный процессор V60. Производился этот CPU по 1,5-микрометровой технологии и насчитывал 375 000 транзисторов. Он использовал вычислительные конвейеры с шестью стадиями, а также имел встроенный сопроцессор и блок управления памятью. Тактовая частота составляла 16 МГц.

Годом позже вышел V70, производившийся некоторое время спустя по 1,2 микрометровой технологии. Тактовая частота достигла 20 МГц. При такой скорости работы производительность чипа достигала 6,6 млн инструкций в секунду. 

Ну а в 1989 году компания выпустила процессор V80. В данной модели уже имелась кэш-память инструкций и кэш-память данных объемом по 1 Кб каждая. Этот процессор производился по 0,8 микрометровой технологии и насчитывал 980 000 транзисторов, работая на частоте 25-33 МГц.

В производстве многих процессоров 80-х годов использовалась архитектура CISC (Complex instruction set computing)^[11]. Кристаллы были довольно сложны и дороги в производстве, а также имели не достаточно высокую производительность. Встал вопрос в модернизации производства и увеличении количества транзисторов.

В 1980 году было положено начало проекту Berkeley RISC, которым руководили американские инженеры Дэвид Паттерсон и Карло Секвин. RISC (restricted instruction set computer) - архитектура процессора с увеличенным быстродействием благодаря упрощенным инструкциям.

Благодаря их плодотворной работе, на рынке появилось несколько образцов процессоров с новой архитектурой. Каждая инструкция платформы RISC была простой и выполнялась за один такт. Также присутствовало намного больше регистров общего назначения, и использовалась конвейеризация с упрощенными командами, что позволяло эффективно наращивать тактовую частоту.

RISC I вышел в 1982 году и содержал на своём кристалле более 44 420 транзисторов. Он имел 32 инструкции и работал на частоте 4 МГц. Следующий за ним RISC II насчитывал 40 760 транзисторов, использовал 39 инструкций и имел более высокую производительность.

Архитектура процессоров MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) представляла собой наличие вспомогательных блоков в составе кристалла. В MIPS использовался удлиненный конвейер.

В 1984 году несколько инженеров во главе с американским ученым Джоном Хеннесси основали компанию, разрабатывающую микроэлектронные устройства. MIPS лицензировала микропроцессорную архитектуру и IP-ядра для устройств умного дома, сетевых и мобильных применений. В 1985 году вышел первый продукт компании - 32-х битный R2000, спустя 3 года эволюционировавший в R3000. В модернизированном варианте имелась поддержка многопроцессорности, кэш-памяти инструкций и данных. Процессор использовался в SG-сериях рабочих станций разных компаний. Также R3000 стал основой игровой консоли Sony PlayStation.

В 1991 году вышла линейка нового поколения R4000. Этот процессор обладал 64-х битной архитектурой, встроенным сопроцессором, тактовая частота достигла 100 МГц. Внутренняя кэш-память составляла 8 Кб кэш-команд и 8 Кб кэш-данных.^[12] 

Годом позже свет увидела доработанная версия процессора - R4400. В этой версии увеличился кэш до 32 Кб (16 Кб кэш-команд и 16 Кб кэш-данных). Процессор развивал тактовую частоту до 100 МГц - 250 МГц.

В 1994 году появился первый процессор с суперскалярной реализацией архитектуры MIPS - R8000. Емкость кэш-памяти данных составляла 16 Кб. У этого кристалла пропускная способность доступа к данным могла достигать 1.2 Гб/с, а так же была довольно высокая скорость выполнения операций. Частота достигала 75 МГц - 90 МГц. Использовалось 6 схем: устройство для целочисленных команд, для команд с плавающей запятой, три вторичных дескриптора кэш-памяти ОЗУ и кэш-контроллер ASIC.

Через два года свет увидела доработанная версия - R10000. Процессор включал в себя 32 Кб первичной кэш-памяти данных и команд. Тактовая частота кристалла составляла 150 МГц - 250 МГц. 

В конце 90-х компания MIPS занялась продажей лицензий на 32-х битную и 64-х битную архитектуры MIPS32 и MIPS64.

Модельный ряд процессоров пополнили кристаллы компании Sun Microsystems, разработавшей масштабируемую архитектуру SPARC (Scalable Processor ARChitecture). Первый процессор такого типа вышел в конце 80-х и назывался SPARC V7. Тактовая частота этой модели была 14.28 МГц - 40 МГц.
В 1992 году вышла следующая 32-битная версия под названием SPARC V8, на базе которой был создан процессор microSPARC. Тактовая частота составляла 40 МГц - 50 МГц.^[13]

Разработкой следующего поколения архитектуры SPARC V9 с компанией Sun Microsystems так же работали такие компании как Texas Instruments, Fujitsu, Philips. Платформа расширилась до 64 бит и являлась суперскалярной с 9-стадийным конвейером. SPARC V9 предусматривала использование кэш-памяти первого уровня, разделенного на инструкции и данные, каждая объемом по 16 Кб, а также второго уровня, составляющую 512 Кб - 1024 Кб.

В начале 1995 года началась разработка линейки процессоров StrongARM, использующих набор инструкций ARM V4. Эти процессоры представляли собой классическую скалярную архитектуру с 5-стадийным конвейером, включая блоки управления памятью и поддерживая кэш-память инструкций и данных объемом по 16 Кб каждая. И уже в 1996 году был выпущен первый процессор на базе StrongARM - SA-110. Он работал на тактовых частотах 100 МГц, 160 МГц или 200 МГц.

В 1985 году компания IBM начала разработку RISC-архитектуры следующего поколения в рамках проекта America Project. Разработка процессора POWER (Performance Optimization With Enhanced RISC) и набора инструкций для него продолжалась 5 лет. Он имел высокую производительность, но состоял из 11 различных микросхем. И поэтому в 1992 году вышел другой вариант процессора, что умещался в одном чипе.

В 1991 году, объединив усилия, компании IBM, Apple и Motorola разработали архитектуру PowerPC (сокращенно PPC), состоящую из базового набора функций платформы POWER, имеющую возможность работы в двух режимах, и была обратно совместима с 32-х битным режимом работы для 64-х разрядного варианта. Использовалась она в основном в персональных компьютерах.

В 1993 году увидел свет POWER2 с расширенным набором команд. Тактовая частота процессора составляла 55 МГц - 71.5 МГц, а кэш-память данных и инструкций была 128-256 Кб и 32 Кб. В общем 8 микросхем процессора содержали 23 миллиона транзисторов, а изготавливался кристалл по 0.72 микрометровой CMOS-технологии.

В 1998 году IBM выпустила на рынок третью серию процессоров POWER3 на 64 бита, полностью совместимых со стандартом PowerPC.^[14] 

В период с 2001 по 2010 вышли модели POWER4 (до восьми параллельно выполняющихся команд), двухядерные POWER5 и POWER6, четырех-восьми ядерный POWER7.

В 1992 году компания Digital Equipment Corporation (DEC) выпустила процессор Alpha 21064 (EV4). Это был 64-разрядный суперскалярный кристалл с конвейерной архитектурой и тактовой частотой 100 МГц - 200 МГц. Изготовлен по 0,75 микрометровой технологии произврдства, со внешней 128-и разрядной шиной процессора. Присутствовало 16 Кб кэш-памяти (8 Кб данных и 8 Кб инструкций). 

В 1995 году в модельной линейке появился процессор 21164 (EV5). Он имел два целочисленных блока и насчитывал уже три уровня кэш-памяти, два в процессоре, третий - внешний. Кэш-память первого уровня делилась на кэш данных и кэш инструкций объемом по 8 Кб каждый. Объем кэш-памяти второго уровня был 96 Кб. Тактовая частота чипа менялась от 266 МГц до 500 МГц.^[15]

В 1996 году на рынке появились процессоры Alpha 21264 (EV6) с 15,2 миллионами транзисторов, изготовленные по 15,2 микрометровой технологии. Они имели тактовую частоту от 450 МГц до 600 МГц. Целочисленные блоки и блоки загрузки-сохранения составляли единый модуль Ebox, а блоки вычислений с плавающей запятой - модуль Fbox. Кэш первого уровня делился на память для инструкций и для данных, по 64 Кб каждая. Объем кэш-памяти второго уровня был от 2 Мб до 8 Мб.

В 1999 году компания Compaq поглотила DEC, в связи с чем большая часть производства продукции, использовавшей Alpha, была передана компании API NetWorks, Inc.

По разработкам Винода Дхама был создан процессор пятого поколения под кодовым названием P5. В 1993 году чмпы вышли в производство под названием Pentium^[16]. 

Процессоры на ядре P5 производились с использованием 800 нанометровой технологии по биполярной BiCMOS-технологии. Они имели на своих кристаллах 3,1 миллиона транзисторов. У Pentium была 64-битная шина данных, суперскалярная архитектура. Имелось раздельное кэширование программного кода и данных. Использовалась кэш-память первого уровня размером 16 Кб, разделенная на 2 сегмента (8 Кб для данных и 8 Кб для инструкций). Первые представители модельного ряда имели тактовую частоту 60 МГц - 66 МГц.

В том же году Intel запустила в продажу процессоры P54C. Производство новых процессоров было переведено на 0,6 микрометровую технологию. Тактовая частота процессоров составляла 75 МГц, а с 1994 года уже 90 МГц и 100 МГц. В 1995 году архитектура P54C (P54CS) была переведена на 350 нанометровую технологию производства и тактовая частота возросла до 200 МГц.

В 1997 году P5 получила последнюю модернизацию - P55C (Pentium MMX). Появилась поддержка набора команд MMX (MultiMedia eXtension). Кристалл имел на себе 4,5 миллиона транзисторов и производится по усовершенствованной 280 нанометровой CMOS-технологии. Объем кэш-памяти первого уровня вырос до 32 Кб (16 Кб для данных и 16 Кб для инструкций). Тактовая частота чипа составила уже 233 МГц.^[17]

В 1995 году компания AMD выпустила процессор K5. Архитектура являла собой RISC-ядро, но работала со сложными CISC-инструкциями. Процессоры изготавливались с использованием 350 или 500 нанометровой технологии, с 4,3 миллионами транзисторов. Все K5 имели пять целочисленных блоков и один блок вычислений с плавающей запятой. Объем кэш-памяти инструкций составлял 16 Кб, а данных - 8 Кб. Тактовая частота процессоров составляла от 75 МГц до 133 МГц.

Под маркой K5 выпускалось два варианта процессоров SSA/5 и 5k86. Первый фунционировал на частоте от 75 МГц до 100 МГц. Второй же работал уже на частотах от 90 МГц до 133 МГц.