Введение
В основе любой ПЭВМ лежит использование микропроцессоров. Он является одним из самых важнейших устройств в компьютере, которым привычно характеризуют уровень производительности ПК. Микропроцессор является "мозгом" и "сердцем" компьютера. Он осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера.
Процессоры персональных компьютеров отвечают единому стандарту, который задан фирмой Intel, мировым лидером в производстве процессоров для ПК. На российском рынке, как, впрочем, и в мире, подавляющее большинство IBM-совместимых персональных компьютеров. В расчёте именно на этот стандарт пишутся игры, программы и прочее. Но есть ещё стандарт фирмы Apple для персональных компьютеров Macintosh. «Маки» оснащены, как на войну, — в них сразу же в стандартном комплекте, есть и звуковая приставка с микрофоном и динамики, и модем для подключения к сети, и ещё кое-какие вещи, которые в IBM-совместимых PC надо покупать отдельно. Это мощные и простые в эксплуатации машины, порой (как, например, в настольных издательских системах) незаменимые. Однако у нас в России (да и во всём мире) их гораздо меньше, чем PC, и они заметно дороже.
Когда выбирают себе компьютер, первым делом выбирают себе микропроцессор, который будет соответствовать требованиям, тех или иных людей. От процессора зависит, как быстро будут запускаться программы, и даже насколько быстро будет происходить процесс архивации данных, а также процесс создания трёхмерной анимации.
Принимая во внимание все вышеизложенное, можно с уверенностью говорить о том, что данная тема, на сегодняшний момент является весьма актуальной, и будет изучена автором более детально в данной работе.
1. Определение микропроцессора
Микропроцессор — центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.). В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называют многопроцессорными. Наличие нескольких процессоров ускоряет выполнение одной большой или нескольких (в том числе взаимосвязанных) программ. Основными характеристиками микропроцессора являются быстродействие и разрядность. Быстродействие — это число выполняемых операций в секунду. Разрядность характеризует объём информации, который микропроцессор обрабатывает за одну операцию: 8-разрядный процессор за одну операцию обрабатывает 8 бит информации, 32-разрядный — 32 бита. Скорость работы микропроцессора во многом определяет быстродействие компьютера. Он выполняет всю обработку данных, поступающих в компьютер и хранящихся в его памяти, под управлением программы, также хранящейся в памяти. Персональные компьютеры оснащают центральными процессорами различных мощностей.
2.Функции и строение микропроцессора
Функции процессора:
- обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
- программное управление работой устройств компьютера.
Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства:
Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах — специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: "Да" и "Нет" ("1" и "0"). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.
AGU (Address Generation Unit) — устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.
Математический сопроцессор (FPU). Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления. Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.
Дешифратор инструкций (команд). Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.
Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процессора.
3. Развитие микропроцессоров
3.1. Эволюция транзистора
Технологический процесс производства микропроцессоров неразрывно связан с эволюцией и постоянным усовершенствованием транзистора. Транзистор, изобретённый в 1948 году в лабораториях корпорации Bell, позволил создавать компьютер из малоразмерных электронных схем, созданных на печатных платах. Революционная роль транзистора в его малых размерах. Объединение большого числа таких транзисторов на текстолитовой плате позволило создавать отдельные узлы, и даже целые устройства. Применение транзисторов позволило уменьшить габариты ЭВМ и увеличить их вычислительную мощность. Однако габариты ЭВМ на транзисторах всё же оставались очень большими для их широкого применения. Но ведь с точки зрения технологического процесса нет особой разницы, делать ли один транзистор на подложке или сразу много. Изготовив достаточное количество транзисторов на одной подложке, остается один шаг до превращения нескольких транзисторов в интегральную микросхему – соединить определённым образом полученные транзисторы. И такой революционный шаг был сделан спустя ровно 10 лет после изобретения транзистора. Первая настоящая интегральная схема была выпущена в 1958 году компанией Texas Instruments. Интегральные микросхемы постепенно стали составной частью практически любого радиоэлектронного устройства, в том числе и ЭВМ. Компьютеры стали применяться не только для научных расчетов, но и в бизнесе. Но это всё же ещё были очень громоздкие и дорогие устройства.
3.2. Эволюция процессоров
Все, кто когда-либо сталкивался с понятием персональный компьютер, так или иначе, наслышаны о таком гиганте компьютерной индустрии как Intel Corporation. Сейчас Intel — это не только передовая корпорация, выпускающая микропроцессорное оборудование для построения компьютерных систем. Спектр выпускаемого оборудования и комплектующих Intel растет с каждым годом, а корпорация уверенно утверждается на все новых и новых позициях на рынке компьютерных технологий.
История процессоров началась в 1979 году, когда фирма Intel выпустила первый микропроцессор i4004. Он имел разрядность данных 4 бита, способность адресовать 640 байт памяти, тактовую частоту 108 кГц и производительность 0.06 MIPS. Такой процессор уже мог работать в качестве вычислительного ядра калькулятора. Он содержал 2300 транзисторов и выполнялся по технологии с разрешением 10 мкм. Через год появился его 8-битный “родственник” – i8008, адресующий уже 16 Кб памяти.
В 1974 году появился 8-разрядный процессор i8080, ставший весьма популярным устройством. Он уже имел частоту 2 Мгц и адресовал 64 Кб памяти. 6000 транзисторов позволила разместить 6-мкм технология изготовления. Процессор требовал трех источников питания (+5В, +12 В и –5В) и сложной двух контактной синхронизации. На этом процессоре строились разнообразные терминалы, контроллеры и даже первый ПК Altair. В нашей стране запоздалым эхом 8086 стали процессоры 580ИК80 и КР580ВМ80, на базе которых в начале и середине 80-ых годов строилось много “самодельный ” ПК.
Следующим этапом стал процессор i8085 (5 Мгц, 0.37 MIPS, 6500 транзисторов, 3-мкм технология). Он сохранил популярную регистровую архитектуру 8080 и программную совместимость, но в него добавился порт последовательного интерфейса, упразднили специальные ИС поддержки (тактового генератора и системного контроллера) и несколько изменили внешний интерфейс. Главным подарком разработчикам аппаратуры стало одно питающее напряжение +5В.
Вариацию на тему 8080 и 8085 представляет процессор Z80 фирмы Zilog. Сохранив программную совместимость с 8080, в него ввели дополнительные регистры, что позволило существенно повысить производительность. Результат оказался впечатляющим – еще недавно популярные компьютеры Sinclair, построенные на Z80, демонстрировали на играх графику, не уступающему PC на 16 –разрядном процессоре 286.
Первый 16–разрядный процессор 8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Частота 5 МГц, производительность 0.33 MIPS, но инструкции уже с 16-битными операндами (позже появились процессоры 8 и 10 МГц). Технология 3 мкм, 29 тыс. транзисторов. Адресуемая память 1 Мб. Регистровая архитектура и система команд существенно отличалась от 8080, но естественно прослеживаются общие идеи. Через год появился 8088 – тот же процессор, но с 8-битной шиной данных. С него началась история IBM PC, наложившая свой отпечаток на дальнейшее развитие этой линии процессоров Intel. Массовое распространение и открытость архитектуры PC привили к лавинообразному появлению программного обеспечения, разрабатываемого крупными, средними и мелкими фирмами и энтузиастами-одиночками. Технический требовал (и сейчас требует) развития процессоров, но груз программного обеспечения PC , которое должно работать и на более новых процессорах, в свою очередь требовал обратной программной совместимости. Таким образом, все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к существующему ядру. А тут еще сама архитектура PC “подбросила”, например, сложности с использованием вектора прерываний. Фирма Intel зарезервировала первые 32 вектора “для служебного пользования”, однако на них “наехали” прерывания BIOS PC. Один из результатов – дополнительный способ обработки исключений сопроцессора, применяемы в старших моделях PC.
Процессор 80286, заменяющий следующий этап архитектуры, появился только в 1982 году. Он уже имел 134 тыс. транзисторов (технология 1.5 мкм) и адресовал до 16 Мб физической памяти. Его принципиальное новшество – защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гб – не нашли массового применения, процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.
Класс 32-разрядных процессоров был открыт в 1985 году моделью 80386 (275 тыс. транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность шины данных (как и внутренних регистров) достигла 23 бит, адресуемая физическая память — 4 Гб. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищенный режим, появился режим V86, страничное управление памятью. Процессор нашел широкое применение в PC, и на благодатной почве его свойств стал разрастаться “самый большой вирус” – MS Windows с приложениями. С этого времени стала заметна тенденция “положительной обратной связи”: на появление нового процессора производители ПО реагируют выпуском новых привлекательных продуктов, последующим версиям которых становится явно тесно в рамках этого процессора. Появляется более производительный процессор, но после непродолжительного восторга и его ресурсы быстро “съедают” и т. д. Это “вечное” движение, конечно, естественно, но есть обоснованное подозрение, что большие ресурсы развращают (или, по крайней мере, расслабляют) разработчика ПО, не принуждая его напрягаться в поисках более эффективных способов решения задачи. Примером эффективного программирования можно считать игрушки на Sinclair ZX-Spectrum, которые реализуются на игрушечных ресурсах – 8-битном процессоре и 64 (128) Кбайт ОЗУ. С противоположными примерами большинство пользователей PC сталкиваются регулярно, но с процессором Pentium 200 и 32 Мб ОЗУ на них не всегда обращают внимание.
История процессора 386 напоминает историю 8086: первую модель с 32 битной шиной данных (в последствии названной 386DX) сменил 386 SX с 16 битной шиной. Он довольно легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее базировавшуюся на процессоре 286.
Процессор Intel486DX появился в 1989 году. Транзисторы –1,2 млн., технология 1мкм. От 386-го существенно отличается размещением на кристалле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора (предыдущие процессоры имели возможность использования внешних x87 сопроцессоров). Кроме того, для повышения производительности в этом CISC-процессоре (как и в последующих) применено RISC-ядро. Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессор, применением внутреннего умножения частоты, политикой записи кэша и другими. Занялись энергосбережением (появился режим SMM), что отразилось и в продолжении линии процессоров 386 (появился процессор Intel386SL).
В 19993 году появились первые процессоры Pentium частотой 60 и 66 МГц – 32 разрядные процессоры с 64-битной шиной данных. Транзисторов 3,1 млн, технология 0,8 мкм, питание 5 В. От 486-го его принципиально отличается суперскалярной архитектурой – способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций (что, конечно не означает возможность прохождение инструкций через процессор за полтакта, или один такт). Интерес к процессору со стороны производителей и покупателей PC сдерживался его очень высокой ценой. Кроме того, возник скандал с обнаружением ошибки сопроцессора. Хотя фирма Intel математически обосновала не высокую вероятность ее проявления (раз в несколько лет), она все-таки пошла на бесплатную замену уже проданных процессоров на исправленные.
Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100МГц, появившиеся в 1994 году, представили уже второе поколение процессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения они отличались внутреннем умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и имели другой тип корпуса. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений (блокнотные ПК). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярны в PC. В 1995 году появились процессоры на 120 и 133 МГЦ, выполненные уже по технологии 0,35 мкм (первые процессоры на 120 МГЦ делались еще по технологии 0,6 мкм). 1996-й называют годом Pentium –появились процессоры на 150, 166 и 200 МГЦ, и Pentium стал рядовым процессором для PC широкого применения.
Параллельно с Pentium развился и процессор Pentium Pro, который отличался новшествами “динамического исполнения инструкций”. Кроме того, в его корпусе разместили и вторичный кэш, для начала объемом 256 Кб. Однако на 16-битных приложениях, а также в среде Windows 95 его применение на дает преимуществ. Процессор содержит 5,5 млн транзисторов ядра, и 15,5 млн транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кб. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года появились процессоры с частотой 166, 180, 200 МГц (технология 0,35 мкм), у которых кэш достигал 512 Кб.
После долгих обещаний в начале 1997 года появились процессоры Pentium MMX. Расширение ММХ предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорять выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработку сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Кроме того ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется обработка 80-битных операндов. Кроме расширения ММХ эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша, и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pr, что повышает производительность процессора Pentium ММХ и на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн транзисторов и выполнены по технологии -,35 мкм. По состоянию на июнь 1997 г. имеются процессоры с тактовыми частотами 166, 200 и 233 МГц.
Технология ММХ была соединена с архитектурой Pentium Pro – и в мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое внесли поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша в одном корпусе с процессором преодолели нехитрым способом – кристалл с ядром процессора и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате-картридже. Все кристаллы закрыты общей специальной крышкой и охлаждаются специальным вентилятором. Тактовые частоты ядра – 233, 266 и 300 МГц.
Конечно же, перечисленным моделями не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, имеющих обобщенное название х86. Ряд фирм (DEC? Motorola, Texas Instruments и другие) имею разработки, существенно отличающиеся от данного семейства; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них есть гораздо более мощные процессоры относящиеся, к таким классам как RISC, так и CISC архитектуру. Однако процессоры Pentium особенно с поддержкой ММХ, имеют самую сложную в мире систему команд.
Процессоры, совместимые с семейством х86, выпускаются не только фирмой Intel. Традиционный конкурент – AMD – выпускает совместимые процессоры обычного несколько позже, но заметно дешевле, иногда по ряду технических свойств они даже опережают аналогичные процессоры Intel. Фирма Cyrix славится своими быстрыми сопроцессорами.
Как уже упоминалось выше, по системе команд и архитектуре различаются процессоры RISC и CISC.
Заключение
В настоящее время компьютеры превратились в мощные высокопроизводительные устройства. По всем основным показателям (быстродействие, емкость оперативной и дисковой памяти и др.) они в сотни раз превосходят первоначальную модель, а стоят обычно даже дешевле. Если бы такими же темпами развивалось, скажем, автомобилестроение, то сейчас за несколько тысяч долларов предлагались бы автомобили, передвигающиеся со скоростью космических ракет и вмещающих сотни человек.
В заключение хотелось бы отметить, что будущее за многопроцессорными машинами, так как только они обеспечивают работу множества приложений одновременно, что необходимо для комфортной работы уже сегодня, кроме этого, многопроцессорные машины позволяют получить требуемую вычислительную мощь, сравнимую с производительностью еще не существующих процессоров.
Список использованной литературы:
- Гук. М. Процессоры intel от 8086 до Pentium; С-Питербург -“Питер Паблишинг” – 1997.
- Е.М. Бердышев; Технология MMX; Москва – «Диалог – МИФИ» — 1998.
- В.Э. Фигурнов IBM PC для пользователя; 5 издание; Москва — «Финансы и статистика» — 1994.
- Еженедельник Computer World Россия;N 46(111); 9 декабря 1997
- Еженедельник Computer World Россия; N 47(112); 16 декабря 1997
- Обзор процессоров и шин ПВМ; Москва – 1995.
- Еженедельник Компьютерра; N 23 (251); 16 июня 1998
