Новости

Процессоры общие (центральные)

Работа добавлена:






Процессоры общие (центральные) на http://mirrorref.ru

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт цветных металлов и материаловедения

Кафедра химии строительных материалов

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Компьютерные технологии в науке и образовании»

по теме «Процессоры общие (центральные)»

Преподаватель                                ________________                   Томилин Ф.Н.

Магистры гр. ЦМ-15-23-М           ________________                   Гутенкова Е.Е.

Санникова Е.О.

Красноярск 2015

Содержание:

Введение

1.История

2.Архитектура фон Неймана

2.1Конвейерная архитектура

2.2Суперскалярная архитектура

2.3Параллельная архитектура

3.Центральные процессоры

3.1 Центральные процессоры:Intel

3.2 Tick-tock Intel 

4.Центральные процессоры: Motorolа

5.Центральные процессоры: Cyrix

6.Центральные процессоры: AdvancedMicroDevices (AMD)

7. Процессоры: Intel  и AMD

3

4

5

7

8

9

12

15

27

30

31

32

36

8.Микропроцессоры: арифметические процессоры WeitekAbacus

Список использованных источников

38

40

ВВЕДЕНИЕ

Современные центральные процессоры (ЦП), выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 60-х годах XX века. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

  1. История

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом затронувшим период с 40-х по конец 50-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 50-х до середины 60-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 60-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 70-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-х разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора. 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.

  1. Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.

Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

Этапы цикла выполнения:

  • Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
  • Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;
  • Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
  • Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
  • Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Работа большинства современных микропроцессоров для персональных компьютеров основана на версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретенного Джоном фон Нейманом. Рассмотрим важнейшие этапы этого процесса (рисунок 1).

Рисунок 1 -Циклического процесса последовательной обработки информации

Конкретный набор компонент, входящих в данный компьютер, называется его конфигурацией. Минимальная конфигурация ПК необходимая для его работы включает в себя системный блок (там находятся МП, ОП, ПЗУ, НЖМД), клавиатуру (как устройство ввода информации) и монитор (как устройство вывода информации).

Рисунок 2 - Минимальная конфигурация ПК

  1. Конвейерная архитектура

Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

  • получение и декодирование инструкции (Fetch)
  • адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access)
  • выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation)
  • сохранение результата операции (Store)

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

  1. простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (например, адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);
  2. ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд);
  3. очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)

  1. Суперскалярная архитектура

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.

CISC-процессоры

Complex Instruction Set Computing — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intelx86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

RISC-процессоры

Reduced Instruction Set Computing (technology) —вычисленияссокращённымнаборомкоманд.Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Самая распространённая реализация этой архитектуры представлена процессорами серии PowerPC, включая G3, G4 и G5. Довольно известная реализация данной архитектуры — процессоры серий MIPS и Alpha.

MISC-процессоры

Minimum Instruction Set Computing — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится настековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20–30 команд).

ARM (Advanced RISC Machine, усовершенствованная RISC-машина) — семейство лицензируемых 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited. Процессоры ARM широко используются в потребительской электронике — в том числе КПК, мобильных телефонах, цифровых носителях и плеерах, портативных игровых консолях, калькуляторах и компьютерных периферийных устройствах, таких, как жесткие диски или маршрутизаторы. Эти процессоры имеют низкое энергопотребление, поэтому находят широкое применение во встраиваемых системах и преобладают на рынке мобильных устройств, для которых данный фактор немаловажен.

Архитектура ARM обладает следующими особенностями RISC:

  • Архитектура загрузки/хранения
  • Нет поддержки нелинейного (не выровненного по словам) доступа к памяти (теперь поддерживается в процессорах ARMv6, за некоторыми исключениями, и полностью в ARMv7)
  • Равномерный 16х32-битный регистровый файл
  • Фиксированная длина команд (32 бит) для упрощения декодирования за счет снижения плотности кода. Позднее режим Thumb повысил плотность кода.
  • Одноцикловое исполнение

Чтобы компенсировать простой дизайн, в сравнении с современными процессорами на тот момент вроде Intel 80286 или Motorola 68020 были использованы некоторые особенности дизайна:

  • Арифметические инструкции заменяют условные коды, только когда это необходимо
  • 32-битное многорегистровое циклическое сдвиговое устройство, которое может быть использовано без потерь производительности в большинстве арифметических инструкций и адресных расчетов.
  • Мощные индексированные адресные режимы
  • Регистр ссылок для быстрого вызова функций листьев
  • Простые, но быстрые, с двумя уровнями приоритетов подсистемы прерываний с включенными банками регистров.

  1. Параллельная архитектура

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):

  • SISD — один поток команд, один поток данных;

Рисунок 3 - параллельная архитектура SISD

В настоящее время практически все высокопроизводительные системы имеют более одного центрального процессора, однако каждый из них выполняет несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы комплексами SISD-систем, действующих на разных пространствах данных.

Для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. В случае векторных систем векторный поток данных следует рассматривать как поток из одиночных неделимых векторов.

Примерами компьютеров с архитектурой SISD могут служить большинство рабочих станций Compaq, Hewlett-Packard и Sun Microsystems.

  • SIMD — один поток команд, много потоков данных;

Рисунок 4 - параллельная архитектура SIМD

Другим подклассом SIMD-систем являются векторные компьютеры. Векторные компьютеры манипулируют массивами сходных данных подобно тому, как скалярные машины обрабатывают отдельные элементы таких массивов. Это делается за счет использования специально сконструированных векторных центральных процессоров. Когда данные обрабатываются посредством векторных модулей, результаты могут быть выданы на один, два или три такта частотогенератора (такт частотогенератора является основным временным параметром системы). При работе в векторном режиме векторные процессоры обрабатывают данные практически параллельно, что делает их в несколько раз более быстрыми, чем при работе в скалярном режиме. Примерами систем подобного типа являются, например, компьютеры Hitachi S3600.

  • MISD — много потоков команд, один поток данных;

Рисунок 5 - параллельная архитектура MISD

Теоретически в этом типе машин множество инструкций должно выполняться над единственным потоком данных. До сих пор ни одной реальной машины, попадающей в данный класс, создано не было. В качестве аналога работы такой системы, по-видимому, можно рассматривать работу банка. С любого терминала можно подать команду и что-то сделать с имеющимся банком данных. Поскольку база данных одна, а команд много, мы имеем дело с множественным потоком команд и одиночным потоком данных.

  • MIMD — много потоков команд, много потоков данных.

Рисунок 6 - параллельная архитектура MIМD

В отличие от упомянутых выше многопроцессорных SISD-машин, команды и данные связаны, потому что они представляют различные части одной и той же задачи. Например, MIMD-системы могут параллельно выполнять множество подзадач с целью сокращения времени выполнения основной задачи.

Большое разнообразие попадающих в MIMD класс вычислительных систем делает классификацию Флинна не полностью адекватной. Действительно, и четырехпроцессорный SX-5 компании NEC, и тысячепроцессорный Cray T3E попадают в этот класс. Это заставляет использовать другой подход к классификации, иначе описывающий классы компьютерных систем.

  1. Центральные процессоры

Центральный процессор (ЦП, или центральное процессорное устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера; отвечает за выполнение операций, заданных программами. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем.

Рисунок 7 – Блочная схема структуры МП

1) АЛУ - арифметико- логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти;

2) Регистры или микропроцессорная память — сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;

3) БУ - блок управления - управление работой всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой. Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

Процессор «общается» с другими устройствами (оперативной памятью) с помощью шин данных, адреса и управления. Разрядность шин всегда кратна 8 (понятно почему, если мы имеем дело с байтами), изменчива в ходе исторического развития компьютерной техники и различна для разных моделей, а также не одинакова для шины данных и адресной шины. Разрядность шины данных говорит о том, какое количество информации (сколько байт) можно передать за раз (за такт). От разрядности шины адреса зависит максимальный объем оперативной памяти, с которым процессор может работать вообще.

На мощность (производительность) процессора влияют не только его тактовая частота и разрядность шины данных, также важное значение имеет объем кэш-памяти.

Характеристики процессора:

1.Тактовая частота — это количество операций, которое процессор может выполнить в секунду. Единица измерения МГц и ГГц (мегагерц и гигагерц). 1 МГц — значит, что процессор может выполнить 1 миллион операций в секунду, если процессор 3,16 ГГц — следовательно он может выполнить 3 Миллиарда 166 миллионов операций за 1 секунду. Существует два типа тактовой частоты — внутренняя и внешняя. Внутренняя тактовая частота — это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора. Внешняя тактовая частота или частота системной шины — это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.

2.Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров. Компьютер может оперировать одновременно ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности внутренних регистров. Разряд — это хранилище единицы информации. За один рабочий такт компьютер может обработать количество информации, которое может поместиться в регистрах. Если регистры могут хранить 8 единиц информации, то они 8-разрядне, и процессор 8-разрядный, если регистры 16-разрядные, то и процессор 16- разрядный и т.д. Чем большая разрядность процессора, тем большее количество информации он может обработать за один такт, а значит, тем быстрее работает процессор.

3.Кэш процессора — довольно важный параметр. Чем он больше, тем больше данных хранится в особой памяти, которая ускоряет работу процессора. В кэше процессора находятся данные, которые могут понадобится в работе в самое ближайшее время. Чтобы вы не путались в уровнях кэша — запомните одно свойство: кэш первого уровня самый быстрый, но самый маленький, второго — помедленней, но побольше и кэш третьего уровня самый медленный и самый большой (если он есть).

4.Технический процесс (иногда пишут технология) — не основная характеристика процессора для обычного обывателя. Чем меньше тех процесс, тем как говорится, лучше. По факту – это площадь кристалла на процессоре. Чем кристаллы меньше, тем их больше можно уместить, следовательно, увеличить тактовую частоту. Да и на меньший кристалл нужно меньше подавать напряжения, поэтому и тепловыделение уменьшается, поэтому опять же можно увеличить тактовую частоту.

5.Socket – этот параметр нужен для стандартизации всех процессоров по разъемам подключения к материнской плате. Например, Socket LGA775 – если вы такую характеристику встретите на материнской плате, то к ней подойдут только процессоры с маркировкой Socket LGA775 и никакие другие. Обратное правило тоже действует.

Интерфейсная система - это:

-шина управления (ШУ) - предназначена для передачи управляющий импульсов и синхронизации сигналов ко всем устройствам ПК;

-шина адреса (ША) - предназначена для передачи кода адреса ячейки памяти или порта ввода/вывода внешнего устройства;

-шина данных (ШД) - предназначена для параллельной передачи всех разрядов числового кода;

-шина питания - для подключения всех блоков ПК к системе электропитания.

Интерфейсная система обеспечивает три направления передачи информации:

- между МП и оперативной памятью;

- между МП и портами ввода/вывода внешних устройств;

- между оперативной памятью и портами ввода/вывода внешних устройств.

Обмен информацией между устройствами и системной шиной происходит с помощью кодов ASCII.

Память - устройство для хранения информации в виде данных и программ. Память делится прежде всего на внутреннюю (расположенную на системной плате) и внешнюю (размещенную на разнообразных внешних носителях информации). Внутренняя память в свою очередь подразделяется на:

- ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (read only memory), которое содержит - постоянную информацию, сохраняемую даже при отключенном питании, которая служит для тестирования памяти и оборудования компьютера, начальной загрузки ПК при включении. Запись на специальную кассету ПЗУ происходит на заводе фирмы- изготовителя ПК и несет черты его индивидуальности. Объем ПЗУ относительно невелик - от 64 до 256 Кб.

- ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, ОП — оперативная память) или RAM (random access memory), служит для оперативного хранения программ и данных, сохраняемых только на период работы ПК. Она энергозависима, при отключении питания информация теряется. ОП выделяется особыми функциями и спецификой доступа:

  • ОП хранит не только данные, но и выполняемую программу;
  • МП имеет возможность прямого доступа в ОП, минуя систему ввода/вывода.

- Кэш-память - имеет малое время доступа, служит для временного хранения промежуточных результатов и содержимого наиболее часто используемых ячеек ОП и регистров

Логическая организация памяти — адресация, размещение данных определяется ПО, установленным на ПК, а именно ОС.

Внешняя память. Устройства внешней памяти весьма разнообразны. Предлагаемая классификация учитывает тип носителя, т.е. материального объекта, способного хранить информацию.

• Накопители на магнитной ленте исторически появились раньше, чем накопители на магнитном диске. Бобинные накопители используются в супер ЭВМ и mainframe.

• Диски относятся к носителям информации с прямым доступом, т.е. ПК может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно.

  1. Центральные процессоры: Intel

В 1959 г. Роберт Нойс, 31-летний директор и научный руководитель фирмы Fairchild Semiconductors, разработал первую в мире интегральную схему – совокупность нескольких планарных транзисторов. До этого каждый компонент электронной схемы изготавливался отдельно, а затем они спаивались вручную. С 1962 г. интегральные схемы, прозванные «чипами», были пущены в массовое производство. Степень интеграции схем непрерывно увеличивалась – от 10 транзисторов в 1964 г. до 100 транзисторов в 1970 г. на кристалле кремния одного и того же размера (около 7 см2).

В 1968 г. Р. Нойс и двое его коллег из фирмы Fairchild Semiconductors – Гордон Мур и Энди Гроув – основали фирму Intel. Первый её завод был построен в районе Пало-Альто, штат Калифорния. Через два года фирма Intel разработала первую в мире ИС для компьютерной памяти, способную хранить 1 Кбит информации. Эта схема размером менее 0,4 см2 заменяла 1024 сердечника старой ферритовой памяти общей площадью порядка 500 см2.

В это же время (1970 г.) Эдвард Хофф, 34-летний инженер фирмы Intel, получил от японской фирмы Busicom заказ на набор из 12 интегральных микросхем для нового семейства микрокалькуляторов. Такие ИС всегда характеризовались узко специализированными функциями и предназначались для выполнения строго определённой работы, и поэтому для каждого нового применения приходилось заново разрабатывать весь набор микросхем. Это показалось Э. Хоффу экономически невыгодным, и при содействии сотрудников фирмы Intel Стэнли Мэйзора и Федерико Фаггина он сократил количество ИС в наборе с 12 до 4, включив центральный процессор, который выполнял арифметические и логические функции сразу нескольких ИС. Процессор состоял из 2250 транзисторов, размещённых на кристалле размером менее 1 см2. Кроме того, его функции не были жёстко зафиксированы. По конструкции он был сходен с центральным процессором большого компьютера, и его можно было запрограммировать на выполнение практически любых функций.

  • Intel 4004

Выпущенный 15 ноября 1971 г., этот микропроцессор получил наименование 4004. В сочетании ещё с тремя микросхемами – памяти, блока управления и интерфейса ввода-вывода – процессор представлял собой микрокомпьютер – машину, не уступавшую по мощности большим компьютерам середины 1950-х годов. Микропроцессор выпускался в 16-контактном корпусе и выполнял 60 тыс. операций в секунду при тактовой частоте 108 КГц. Адресуемая память составляла 640 байт.

  • Intel 8008

1 апреля 1972 г. фирма Intel выпустила 8-битную версию процессора 4004 и назвала её 8008. Новый микропроцессор имел 18 контактов, расположенных в двух рядах, и работал на тактовой частоте 200 КГц. Он содержал 3500 транзисторов, выполненных, как и в процессоре 4004, по 10-микронной технологии. Производительность процессора 8008 вдвое превышала производительность его 4-битного предшественника.

Рисунок 8 – блок-схема процессора

  • Intel 8080

В марте 1976 г. фирмой Intel была выпущена усовершенствованная версия процессора 8008, названная 8080. Как и его предшественник, процессор 8080 имел 8-битные шины адреса и данных и мог адресовать 64 Кбайт памяти. Впервые микропроцессор питался от одного источника напряжением 5 В, вместо двух напряжениями 5 и 12 В. Несмотря на повышенную до 5 МГц (в модели 8080A – 6,25 МГц, а в модели 8080A-2 – 10 МГц) тактовую частоту, производительность процессора составила всего 370 тыс. операций в секунду. Также впервые в микропроцессорах фирмы Intel была использована 3-микронная технология (вместо 6-микронной в процессоре 8008), позволившая увеличить степень интеграции до 6500 транзисторов на кристалле той же величины, что и 8008.

Рисунок 9 – блок-схема процессора

  • Intel 8086/8088

16-битный микропроцессор Intel 8086, выпущенный 8 июня 1978 г., содержал на кристалле размером 5,5x5,5 мм около 29000 транзисторов. Производительность процессора 8086 значительно превышает производительность его 8-битного предшественника – микропроцессора 8080 – и составляет от 330 до 750 тыс. операций в секунду. Хотя и имеется определённая совместимость микропроцессора 8086 с архитектурой ЦП 8080, разработчики не ставили перед собой цели достичь её полностью. Число линий адреса увеличено с 16 до 20, что позволяет адресовать память 1 Мбайт вместо 64 Кбайт. Увеличение ёмкости памяти упрощает переход к мультипрограммированию, поэтому в микропроцессоре 8086 предусмотрено несколько мультипрограммных возможностей. Кроме того, в микропроцессор 8086 встроены некоторые средства, упрощающие реализацию мультипроцессорных систем, что позволяет применять его с другими процессорами, например с процессором числовых данных 8087.

Несмотря на высокую производительность 16-битного микропроцессора 8086, он долгое время оставался малопопулярным из-за малого количества и дороговизны выпускаемых 16-битных микросхем поддержки. Поэтому 1 июня 1979 г. фирма Intel выпустила микропроцессор 8088, который представляет собой 8-битный микропроцессор, полностью совместимый с микропроцессором 8086 (т.е. имеющий такую же систему команд и набор регистров) и предназначенный для перевода аппаратных конфигураций на базе микропроцессоров 8080/8085 на программную среду микропроцессора 8086 с целью повышения производительности этих 8-битных систем. Новый микропроцессор, как и процессор 8086, содержал около 29000 транзисторов; две различные его модели работали на тактовых частотах 5 и 8 МГц с производительностью 330 и 750 тыс. операций в секунду соответственно.

Рисунок 10 – блок-схема процессора

  • Intel 80186/80188

Микросхема 80186 представляет собой усовершенствованный вариант процессора 8086 со внутренними средствами, ранее реализовывавшимися 10 отдельными вспомогательными микросхемами. В микросхему 80186, кроме ЦПУ, встроены программируемый генератор синхронизации, программируемый контроллер прерываний, три программируемых таймера/счётчика, два контроллера ПДП со схемами прерываний и программируемые схемы выбора кристалла (дешифраторы адреса). Высокая степень интеграции системных компонентов сокращает число корпусов и контактов в системе, хотя увеличивает число контактов на корпусе ЦП до 68 из-за дополнительных линий, которые подключаются непосредственно к различным интерфейсам и устройствам. В микросхеме 80186 впервые применён корпус типа «держатель кристалла» с 4-сторонним расположением контактов; позднее корпуса такого типа применялись и в других микросхемах фирмы Intel и других разработчиков.

Фирмой Intel выпускался также 8-битный вариант процессора 80186, названный 80188. Построенный на основе микропроцессора 8088, процессор 80188 имел 8-битную шину данных и мог применяться в системах на базе 8-битных микропроцессоров 8080/8085 с некоторыми модификациями этих систем. Процессор 80188 имел ещё меньшую популярность, чем процессор 80186, из-за своей малой производительности по сравнению с другими микропроцессорами того времени. Предназначенный в основном для модернизации 8-битных систем, он был выпущен уже тогда, когда таких систем практически не оставалось.

  • Intel 80286

Процессор 80286, выпущенный фирмой Intel 1 февраля 1982 г., является усовершенствованным вариантом микропроцессора 8086, содержащим схемы управления памятью и её защиты для упрощения реализации мультизадачных систем. На кристалле процессора размещено около 134000 транзисторов новой 1,5-микронной технологии, позволившей оформить микропроцессор в таком же, как и у микросхемы 80186, корпусе с 68 контактами, расположенными в четыре ряда. Выпускались модели процессора 80286 с частотами синхронизации 6, 8, 10 и 12,5 МГц производительностью 0,9, 1,2, 1,5 и 2,6 млн операций в секунду соответственно.

Помимо регистров микропроцессора 8086, дополнительно введены следующие регистры, предназначенные для мультипрограммирования:

  • слово состояния машины (16 бит) для хранения дополнительных бит состояния, связанных с расширенными возможностями процессора 80286, например, бита разрешения защиты, определяющего, в реальном или защищённом режиме работает процессор;
    • расширения сегментных регистров (по 48 бит) для хранения текущих сегментных дескрипторов;
    • регистр задачи (16 бит) для адресации системного дескриптора сегмента, который определяет базовый адрес, права доступа и размер сегмента состояния текущей задачи;
    • регистры дескрипторной таблицы (один 64-битный и два 40-битных) для адресации дескрипторных таблиц, которые содержат дескрипторы различных сегментов.
      • Intel 80386

Микропроцессор 80386, выпущенный 17 октября 1985 г., – «истинно 32-битный» процессор: ширина его шин адреса и данных, а также размер регистров, составляют 32 бита. Это упрощает вычисление адреса, так как весь адрес ячейки памяти может храниться в одном регистре. Кроме того, становится возможной адресация 4 Гбайт физической и 64 Тбайт виртуальной памяти.

Кроме повышения разрядности, в процессоре 80386 имеется и ряд других важных нововведений: 6-байтная очередь команд процессора 8086 заменена 2-ступенчатым «конвейером»: 16-байтной очередью команд и отдельной от неё очередью инструкций. Устройство выборки по мере освобождения очереди команд выбирает из памяти новые команды и помещает их в очередь, а дешифратор команд по мере освобождения очереди инструкций выбирает из очереди команд новые команды, преобразует их в 112-битный внутренний формат и помещает в очередь инструкций.

  • Intel 386

Другая разновидность процессоров фирмы Intel с 32-битной архитектурой – 386SL, выпущенный 15 октября 1990 г. Это первый микропроцессор, специально разработанный для применения в переносных компьютерах и компьютерах-блокнотах («ноутбуках») и потому имеющий пониженное энергопотребление.

Рисунок 11 – блок-схема процессора

  • Intel 486

10 апреля 1989 г. фирма Intel выпустила усовершенствованную версию процессора 80386 и назвала её 486. Вдобавок к ЦПУ класса 80386 на кристалле процессора 486 также располагались кэш-память первого уровня (объёмом 8 или 16 Кбайт) и устройство обработки чисел с плавающей точкой; длина очереди команд процессора была увеличена до 32 байт. Это был первый в мире ЦП со встроенным эквивалентом математического сопроцессора: больше не стояла проблема его эмуляции на системах без сопроцессора, а также удешевлялась и ускорялась система за счёт уменьшения общего числа контактов и корпусов микросхем. С другой стороны, нельзя было установить в систему другой сопроцессор, поскольку команды сопроцессора выполнялись встроенным устройством обработки чисел с плавающей точкой. Поэтому выпускались два варианта процессора 486 – 486DX и 486SX, идентичные по архитектуре, за исключением того, что процессор 486SX не содержал устройства обработки чисел с плавающей точкой.

Процессор 486DX-50 МГц был выпущен незадолго до двадцатилетия со дня выпуска первого микропроцессора фирмы Intel. За эти двадцать лет быстродействие процессоров выросло в 500 раз, число транзисторов – в 522 раза, производительность – в 683 раза, адресуемая память – в 6,7 млн раз. Осенью 2001 г., через 30 лет после выпуска микропроцессора 4004, был выпущен процессор Xeon-2ГГц. Его тактовая частота превосходит частоту процессора 4004 в 20 млн раз;

Рисунок 12 – блок-схема процессора

  • Intel Pentium

В 1992 г. фирмой Intel было объявлено о том, что новый процессор будет назван вопреки старой системе наименования (x86). Поскольку названия из цифр не защищаются авторским правом и законом о торговых знаках, конкуренты фирмы Intel выпускали собственные процессоры с названиями вроде 386 и 486. Для нового процессора было выбрано название Pentium, так как он был представителем «пятого поколения» процессоров (8086 – 80286 – 80386 – 486 – Pentium). С тех времён новые процессоры получают словные, а не числовые, названия.

Процессор Pentium имел 64-битную шину данных, позволяющую ему вводить и выводить по 8 байт за один такт. При этом АЛУ у него было 32-битным, т.е. процессор Pentium мог одновременно обрабатывать не более 32 бит информации, являясь при этом неким 32-64-битным процессором. Это позволяет эффективно работать и с более старыми 32-битными, и с новыми 64-битными микросхемами памяти. Далее, объём внутренней кэш-памяти процессора был увеличен до 16 Кбайт, как и в процессорах 486DX2/DX4, и была улучшена логика управления этой кэш-памятью. 8 Кбайт этой кэш-памяти используется для хранения наиболее часто используемых команд, а другие 8 Кбайт – для хранения часто используемых данных. Это позволяет оптимизировать выполнение процессором циклов программы, т.к. в них очередь команд если и очищается, то очень быстро заполняется из кэш-памяти команд.

Кроме перечисленных выше усовершенствований, у процессора Pentium есть два независимых конвейера обработки команд, т.е. если две последовательные команды не зависят друг от друга, то они дешифратором команд передаются в различные очереди инструкций и выполняются процессором одновременно. Это позволяет достичь производительности двухпроцессорной системы при установке в неё всего одного процессора.

Первые процессоры Pentium были выпущены 22 марта 1993 г. Они содержали 3,1 млн транзисторов, работали на тактовых частотах 60 и 66 МГц и имели производительность 100 и 112 млн операций в секунду соответственно. Эти процессоры выпускались в 273-контактных корпусах с сеткой контактов 21x21 и имели напряжение питания 5 В. Более поздние процессоры Pentium, работавшие на тактовых частотах 75 (с октября 1994), 90, 100 (с марта 1994), 120 (с марта 1995), 133 (с июня 1995), 150, 166 (с января 1996) и 200 (с июня 1996) МГц, выпускались также в 296- и 320-контактных корпусах с шахматным расположением контактов в сетке 37x37. Эти более новые процессоры Pentium имели напряжение питания 3,3 В, размеры всего 25 см2 и содержали 3,2 – 3,3 млн транзисторов новой 0,35-микронной технологии.

Рисунок 13 – блок-схема процессора

Следующим шагом вперёд в микропроцессорах фирмы Intel стал процессор PentiumPro, выпущенный 1 ноября 1995 г. Аналогичный по своей внутренней архитектуре процессору Pentium, процессор PentiumPro дополнительно имел внутреннюю шину данных, работающую на скорости процессора и соединяющую его с внутренней кэш-памятью второго уровня объёмом 256, 512 Кбайт или 1 Мбайт (с августа 1997). Дополнительно к этой кэш-памяти, на системную плату можно было установить кэш-память третьего уровня, ещё повышающую производительность системы.

Процессор Pentium MMX был выпущен 8 января 1997 г., и его модели работали на тактовых частотах 166, 200, 233 (с июня 1997), 266 (с января 1998) и 300 (с января 1999) МГц. Так как процессор Pentium MMX выпускался в таких же 296-контактных корпусах, как и процессоры Pentium-2, системы на базе процессоров Pentium-2 можно было легко модернизировать простой заменой процессора на процессор Pentium MMX. Процессоры Pentium MMX содержали около 4,5 млн транзисторов. Выполненные по новой 0,25-микронной технологии, они упаковывались в 320-контактные корпуса особого вида, предназначенные для употребления в компьютерах-блокнотах.

Процессоры PentiumPro с добавлением технологии MMX и 32-Кбайтной кэш-памятью первого уровня получили название Pentium II. Выпускались модели процессора Pentium II, работающие на тактовых частотах 233, 266, 300 (с мая 1997), 333 (с января 1998), 350, 400 (с апреля 1998) и 450 (с августа 1998) МГц. Для них были разработаны новые 242-контактные корпуса размерами 14x6,3x1,6 см, названные односторонними картриджами.Односторонние картриджи были запатентованы фирмой Intel, поэтому в платы с разъёмами для процессоров Pentium II невозможно вставить процессоры других фирм.

Рисунок 14 – блок-схема процессора

В  середине  1998  года  корпорация  Intel  объявила  о  выпуске  новой  версии  Pentium  II  —  Pentium  Xeon.  Pentium  Xeon  был  специально  разработан  для  обслуживания  серверов  и  сильно  нагруженных  рабочих  станций.  В  отличие  от  Pentium  II  процессор  Pentium  Xeon  обладает  большей  кэш-памятью:  L1  —  32  Кб,  L2  —  512  Кб  или  1  Мб  или  даже  2  Мб. 

Процессор Intel  Pentium  III  пришел  на  смену  Pentium  II  в  январе  1999  года. Основное  отличие  данного  процессора  от  Pentium  II  состоит  в  том,  что  он  поддерживает  набор  из  70  новых  команд  (SIMD  —  инструкций)  групповой  обработки  данных  с  плавающей  точкой  (50  команд)  и  дополнительные  команды  групповой  обработки  целочисленных  данных  (20  команд). При увеличении быстродействия ядра Pentium  III  технические  характеристики  остались  на  уровне  Р6  (Pentium  Pro).  При  увеличении  тактовой  частоты  до  1  Ггц,  кэш-память  L1  составляет  512  Кб,  а  L2  —  256  Кб.  Кэш  L1  работает  на  половинной  частоте,  а  частота  системной  шины  составляет  100  МГц.

Рисунок 15 – блок-схема процессора

Первые  процессоры  Pentium  IV  корпорация  Intel  выпустила  в  ноябре  2000  года.  Они  имели  большое  изменение  в  архитектуре  32-разрядных  процессоров  Intel  и  работали  на  тактовых  частотах  1,4  и  1,5  ГГц.  Ядро  процессора  получившее  название  Willamette  было  выполнено  по  технологии  0,18  мкм. Модернизация  позволила  не  только  значительно  увеличить  тактовую  частоту  процессора,  но  и  увеличить  количество  команд,  обрабатываемых  за  один  такт. Процессор  Pentium  IV  использовал  архитектуру  Net Burst,  которая  позволила  на  долгие  годы  считать  самой  главной  характеристикой  процессора  тактовую  частоту  ядра.

Основной  проблемой  архитектуры  Net Burst  является  рост  температуры  процессора  с  ростом  частоты  кристалла.  Размер  кэш-памяти  L1  уменьшен  до  8  Кб,  кэш  L2  остался  прежним,  как  и  в  Pentium  III,  256  Кб.

В  2003  году  были  выпущен  Pentium  IV  Extreme  Edition,  который  был  модернизацией  процессоров  Pentium  IV  с  ядром  Northwood  и  кэш  L3  объемом  до  2  Мб.  Диапазон  изменения  тактовой  частоты  для  разных  моделей  составлял  3,2—3,466  ГГц,  а  частота  системной  шины  —  800  или  1066  МГц.  Процессор  Pentium  Extreme  Edition,  имеющий  два  физических  ядра  и  два  виртуальных,  поддерживает  одновременную  обработку  четырех  потоков  команд.

  • Intel Celeron

Для персональных компьютеров фирмой Intel выпускались процессоры Celeron, являющиеся «облегченными» вариантами Pentium II без внутренней кэш-памяти второго уровня. Выпускаемые в таких же односторонних картриджах, как и процессоры Pentium II, процессоры Celeron имели меньшую рабочую тактовую частоту, а именно 266 (с апреля 1998) и 300 (с июня 1998) МГц. Процессоры Celeron содержат, как и процессоры Pentium II, 7,5 млн транзисторов.

Другие модели процессоров Celeron, объединённые названием Celeron A, имели рабочую тактовую частоту 333 (с августа 1998), 366, 400 (с января 1999), 433 (с марта 1999), 466 (с апреля 1999), 500 (с августа 1999), 533 (с января 2000), 566, 600 (с марта 2000), 633, 667, 700 (с июня 2000), 733, 766 (с ноября 2000), 800 (с января 2001), 850 (с мая 2001), 900 (с июля 2001), 950, 1000, 1100 (с августа 2001), 1200 (с октября 2001) и 1300 (с января 2002) МГц. Совершенствование процессоров Celeron A продолжается и поныне. Наиболее мощные из них содержат 19 млн транзисторов (вместе с 128 или 256 Кбайт внутренней кэш-памяти второго уровня) и изготавливаются по 0,18- или 0,13-микронной технологии. Процессоры Celeron A используют напряжение питания 1,5 В и выпускаются в 370-контактных корпусах. Другие модели процессоров Celeron, разработанные для компьютеров-блокнотов, используют напряжение питания 1,4 или 1,15 В, потребляют мощность менее 1 Вт и производятся в корпусах размером около 1 см2. Процессоры Celeron A используются в наиболее мощных персональных компьютерах, хотя они и не обеспечивают производительность, необходимую для серверов.

  • Intel Core 

Семейство  процессоров  Core  2  считается  восьмым  поколением  процессоров  Intel  для  архитектуры  х86,  которое  представлено  огромным  разнообразием  моделей,  известных  под  названием  Core  2  Duo  (двухъядерные)  и  Intel  Core  2  Quad  (четырехъядерные).

В  2006  г  первые  процессоры  Core  2  были  изготовлены  по  технологии  65  нм  и  имели  ядро  с  условным  названием  Conroe.  В  2007  году  после  освоения  техпроцесса  45  нм,  стали  выпускаться  процессоры  с  ядром  под  условным  названием  Penryn.  Серверные  модели  семейства  Intel  Core  2,  выпускаются  с  модернизированными  ядрами,  которые  носят  свои  условные  названия.  Наиболее  высокопроизводительные  процессоры  серии  Core  2  носят  название  Core  2  Extreme.  Характеристики  процессоров  Intel  Core  2  Duo,  Intel  Core  2  Quad  и  Intel  Core  2  Extreme  приведены  в  таблице  1.

Таблица 1 – Характеристики процессоров

Характеристики

Intel  Core  2  Duo

Intel  Core  2  Quad

Intel  Core  2  Extreme

Технология,  нм

45,  65

45,  65

45,  65

Количество  ядер

2

4

2  и  4

Кэш-память  (L2),  Мб

2—6

4—12

12

Тактовая  частота,  МГц

2,33—3,33

2,33—3

2,93—3,2

Частота  системной  шины,  МГц

800  -  1333

1066,  1333

1066—1600

Тип  разъема

LGA755

LGA755

LGA755

Core  i7   —  прямой  потомок  процессора  8088,  который  использовался  в  первой  модели  IBM  PC.  Презентация  Core  i7  состоялась  в  ноябре  2008  года.  Публике  было  представлено  четырехпроцессорное  ЦПУ  с  731  млн.  транзисторов,  частотой  до  3,2  ГГц  и  шириной  строки  45  нанометра.  Понятие  ширина  строки  обозначает  ширину  проводников  между  транзисторами,  чем  меньше  эта  величина,  тем  больше  транзисторов  умещается  на  одной  микросхеме.  Исходный  выпуск  архитектуры  Core  i7  базировался  на  архитектуре  Nahalem,  однако  новые  версии  Core  i7  строятся  на  базе  новой  архитектуры  Sandy  Bridge,  которая  увеличилась  до  1,16  млрд.  транзисторов  и  работает  на  скорости  3,5  ГГц  с  шириной  строки  32  нанометра.  С  точки  зрения  программного  обеспечения  Core  i7  представляет  собой  64-разрядную  машину  и  является  многоядерным  процессором,  с  разным  числом  внутренних  процессов  —  от  2  до  6. 

Микроархитектура  Core  i7  базирующийся  на  архитектуре  своих  предшественников  Core  2  и  Core  2  Duo  может  выполнять  до  четырех  команд  одновременно,  что  позволяет  рассматривать  его  как  4-х  кратную  суперскалярную  машину.  В  процессорах  Core  i7  используется  трехуровневый  кэш:  разделенный  на 32-килобайтный  кэш  данных  и  32-килобайтный  кэш  команд.  Каждое  ядро  имеет  свой  собственный  256-килобайтный  кэш  второго  уровня  (L2).  Все  ядра  совместно  используют  один  унифицированный  кэш  третьего  уровня  (L3),  может  быть  от  4  до  15  Мб  в  зависимости  от  модели  процессора.

  1. Tick-tock Intel 

«Тик-так» (англ. tick-tock)  — экстенсивная стратегия разработки микропроцессоров, анонсированная Intel на конференции Intel DeveloperForum в сентябре 2006. Цикл разработки делится на две стадии — «тик» и «так». «Тик» означает миниатюризацию технологического процесса и относительно небольшие усовершенствования микроархитектуры. «Так» означает выпуск процессоров с новой микроархитектурой, но при помощи существующего технологического процесса. По планам Intel, каждая часть цикла должна занимать примерно год.

Таблица 2 -Стратегия разработки микропроцессоров

Ядра

Процессоры

Микроархитектура

Технологический процесс

Начало выпуска

«Тик»

Cedar Mill, Dempsey, Presler, Yonah

Intel Core, Pentium 4, Pentium D, Xeon

Intel P6, NetBurst

65 нм

2006

«Так»

Allendale, Clovertown, Conroe, Kentsfield, Merom, Tigerton, Woodcrest

Intel Core 2, Xeon

(не путать с процессорами Intel Core!)

2006

«Тик»

Dunnington, Harpertown, Penryn, Wolfdale, Yorkfield

(усовершенствованная Intel Core)

45 нм

2008

«Так»

Beckton, Bloomfield, Clarksfield, Gainestown, Lynnfield

Intel Core i5/i7/i7 Extreme Edition, Xeon

Intel Nehalem

2009

«Тик»

Arrandale, Clarkdale, Gulftown

Intel Core i3/i5/i7/i7 Extreme Edition, Xeon

(усовершенствованная Intel Nehalem)

32 нм

2010

«Так»

Sandy Bridge

Intel Core i3/i5/i7/i7 Extreme Edition, Xeon

Intel Sandy Bridge

2011

«Тик»

Ivy Bridge

Intel Core i3/i5/i7/i7 Extreme Edition, Xeon

(усовершенствованная Intel Sandy Bridge)

22 нм

2012

«Так»

Haswell

Intel Core i3/i5/i7/i7 Extreme Edition, Xeon

Intel Haswell

2013

«Тик»

Broadwell

(усовершенствованная Intel Haswell)

14 нм

2014

«Так»

Skylake

Intel Skylake

2015

«Тик»

Kaby Lake

2016

«Так»

Cannonlake

Intel Cannonlake, ранее (усовершенствованная Intel Skylake)

10 нм

2017

«Тик»

2018

«Так»

7 нм

2019

«Тик»

2020

«Так»

5 нм

2021

«Тик»

2022

  1. Центральные процессоры: Motorola
  2. Первый 16-битный микропроцессор фирмы Motorola, названный MC68000, быт выпущен в 1979 г. Он содержал 70000 транзисторов и имел производительность 2 млн операций в секунду – значительно выше, чем 16-битные микропроцессоры семейства Intel 80x86. Хотя разрабатывался новый микропроцессор как замена для 8-битного процессора MC6809, программная совместимость между ним и 16-битным процессором MC68000 отсутствует. С другой стороны, совместно с микропроцессором MC68000 можно применять микросхемы, разработанные для его 8-битного предшественника.

    Всё микропроцессорное семейство MC680xx, состоящее из процессоров MC68000, MC68008 и MC68010, имеет 32-битные рабочие регистры, таким образом являясь неким аналогом процессора Intel 386SL, выпущенного значительно позднее. Конечно, микропроцессоры семейств MC680xx и Intel 80x86 несовместимы; к тому же в микросхемах фирмы Motorola нет аналогов мультизадачности, поддерживаемой процессорами 80286/80386.

    Различные микропроцессоры семейства MC680xx имеют шины различной разрядности: процессор MC68000 – 24-битную шину адреса и 16-битную шину данных; процессор MC68008 – 20-битную шину адреса и 8-битную шину данных; процессор MC68010 – 24-битную шину адреса и 16-битную шину данных. Имеются определённые сходства между процессорами этого семейства и семейства Intel 80x86: аналогичны процессоры MC68000 и 80286, MC68008 и 8088, MC68010 и 80386.

    Микропроцессоры семейства MC680xx широко применялись в персональных компьютерах: MC68000 – в ПК AppleMacintosh, MC68008 – в ПК Sinclair QL, MC68010 – в ПК Hewlett-Packard 9000. Компьютеры AppleMacintosh по сей день считаются символом корпорации AppleComputers. Первый из них, MacintoshClassic, был выпущен в 1984 г. В нём впервые были применены концепции графического интерфейса пользователя, технологии «подключи и работай», встроенной поддержки локальных вычислительных сетей и другие разработки фирмы AppleComputers (На самом деле, концепция графического интерфейса пользователя была разработана фирмой XeroxCorporation, но эта фирма не занималась внедрением своей разработки). Поскольку фирма AppleComputers до 1995 г. отвергала выдачу лицензий производителям компьютеров, совместимых с AppleMacintosh, то такие компьютеры сейчас мало распространены (около 10% всех ПК). Широкие мультимедийные возможности компьютеров AppleMacintosh сделали их привлекательными прежде всего для художников и композиторов, а также для использования в обучении. В деловых приложениях, например, в бухгалтерии, компьютеры AppleMacintosh применяются весьма редко.

    Рисунок 16 – блок-схема процессора

    1. Центральные процессоры: Cyrix

    Фирма Cyrix получила известность благодаря своему микропроцессору Cx486DLC, аналогичному по своей архитектуре процессору Intel 486SX, но имеющему корпус, позволяющий устанавливать процессор Cx486DLC в системы, рассчитанные на процессор 386DX. Выпускались также процессор Cx486Dru2 – аналог процессора Cx486DLC с удвоением рабочей частоты – и процессор Cx486SLC, аналогичный Cx486DLC, но совместимый по контактам корпуса с процессором 386SX. Далее полная совместимость выпускаемых микропроцессоров с процессорами фирмы Intel стала отличительной чертой фирмы Cyrix.

    Самым первым процессором фирмы Cyrix, способным конкурировать с процессорами семейства Intel Pentium, был процессор 6x86. Выпущенный 12 июля 1995 г., процессор 6x86 содержал 3,1 млн транзисторов 0,5-микронной технологии. Более поздние (с декабря 1995) модели микропроцессора 6x86 содержали 3,3 млн транзисторов. Модели процессора 6x86, способные работать на тактовых частотах 100, 110, 120, 133 и 150 МГц, назывались PR120, PR133, PR150, PR166 и PR200 соответственно, так как они имели такую же производительность, как и процессоры PentiumPro на частотах 120, 133, 150, 166 и 200 МГц.

    Фирма Cyrix также выпускала аналоги процессоров Pentium II и Pentium III фирмы Intel. Эти процессоры были названы MII и M3 соответственно; они не получили большой популярности. Другой продукт фирмы Cyrix – процессор MediaGX – представляет собой объединённые на одном кристалле микропроцессор, видеосистему, звуковую систему и логику управления шиной PCI. Он предназначен прежде всего для создания дешёвых мультимедийных домашних компьютеров. Процессор MediaGX применялся только в компьютере Presario 2100 фирмы Compaq, так как фирма Cyrix не стала продавать этот процессор розничными торговцам.

    ЧТК - чтение команды; РК1 - расшифровка команды, стадия 1; РК2 - то же, стадия 2; ВА1 - вычисление адреса, стадия 1; ВА2 - то же, стадия 2; ВЫП - выполнение; ЗАП - запись результата

    Рисунок 17 – блок-схема процессора

    1. Центральные процессоры: AdvancedMicroDevices (AMD)

    Фирма Advanced Micro Devices (AMD), как уже говорилось, начала производство микропроцессоров с выпуска дешёвых аналогов процессоров 80386 и 486SX фирмы Intel. Сначала это производство проходило по лицензии фирмы Intel, но затем лицензия была отозвана, и процессор Am486SX фирма AMD разработала самостоятельно. По существу, именно выпуск фирмой AMD микропроцессора, названного так же, как и процессор фирмы Intel, и стало причиной, побудившей фирму Intel перейти к буквенным наименованиям микропроцессоров. В любом случае, достоверно известно, что объём продаж фирмой AMD микропроцессоров Am386 превысил объём продаж процессоров класса 386 всеми другими их производителями (включая фирму Intel).

    Следующий после процессора Am486SX микропроцессор фирмы AMD назывался Am5x86. Это был усовершенствованный вариант процессора 486DX2, выпускавшийся в корпусе, позволявшем устанавливать процессор Am5x86 в гнездо для процессоров 486. Но затем фирма AMD сменила схему наименования и выпустила 27 марта 1996 г. новый процессор, названный K5.

    Микропроцессор K5, известный также как Am5K86, был аналогичен процессору Intel Pentium и мог использоваться в системах, рассчитанных на установку процессора Pentium, без их перенастройки. Он содержал 4,3 млн транзисторов той же, что и в процессорах Pentium, 0,35-микронной технологии. Выпускались модели процессора K5, способные работать на тактовых частотах 75, 90, 100 (с октября 1996) и 116 МГц. В них использовались умножители рабочей частоты от 1,5 до 2,5.

    Процессор K5 имел большую, чем у процессора Pentium, производительность при равных тактовых частотах за счёт того, что он использовал четырёхконвейерную архитектуру, позволяющую выполнять до четырёх команд одновременно. В отлитие от двухконвейерной архитектуры микропроцессора Pentium, новая архитектура не требует для получения прироста производительности написания программ специальным образом. Кроме того, микропроцессор K5 имел 40 регистров и систему их переименования, обеспечивающую совместимость с процессором Pentium по машинному коду. Однако программы, написанные специально для микропроцессора K5, работают на нём на 30% быстрее, чем их аналоги – на процессоре Pentium.

    В 1996 г. фирма AMD купила корпорацию NexGen, разработавшую микропроцессор Nx585. Этот микропроцессор был полностью совместим с процессором IntelPentium, но стоил дешевле его и не содержал ошибки в микрокодах устройства обработки чисел с плавающей точкой. Совместная работа специалистов из обеих фирм обеспечила создание 13 ноября 1996 г. микропроцессора K6, известного новым подходом к архитектуре ядра процессора.

    Процессор K6 был самым сложным из всех процессоров класса Pentium II и содержал 8,8 млн транзисторов 0,3-микронной технологии. Он использовал технологию MMX, разработанную фирмой Intel, но не использовал односторонний картридж, что повышало его привлекательность для разработчиков компьютеров, которые не хотели покупать лицензию на изготовление разъёмов для односторонних картриджей у фирмы Intel. Вместо этого процессор K6 выпускался в корпусе с сеткой контактов и мог использовать то же гнездо, что и процессоры Pentium. С другой стороны, процессор K6 не мог устанавливаться в систему вместо процессора Pentium без её переконфигурирования.

    Модели процессора K6 могли работать на тактовых частотах 166, 200, 233 (с апреля 1997), 266 и 300 (с апреля 1998) МГц, используя умножитель рабочей частоты от 2,5 до 4,5.

    Следующий процессор, названный K6-2, объединял внутреннюю сокращённую систему команд с совместимостью по машинному коду с процессором Pentium II. Кроме того, новый микропроцессор использовал технологию 3D-NOW!, увеличивающую производительность трёхмерных игр, разработанных с поддержкой этой технологии. Выпущенный 28 мая 1998 г., процессор K6-2 содержал 9,3 млн транзисторов новой 0,25-микронной технологии. Различные модели микропроцессора K6-2 имели рабочие тактовые частоты 266, 300, 333, 350 и 400 (с августа 1998) МГц и использовали умножители рабочей частоты от 3 до 5.

    Последний процессор семейства K6, названный K6-3, был разработан как альтернатива процессору Intel Pentium III. Система команд процессора K6-3 не содержала новых инструкций процессора Pentium III, но зато процессор K6-3 содержал увеличенную встроенную кэш-память (64 Кбайт первого уровня и 256 Кбайт – второго). Этот процессор работал на тактовых частотах 350, 400 и 450 МГц.

    Новое поколение процессоров фирмы AMD было представлено 23 июня 1999 г. процессором K7. Первые его модели работали на тактовой частоте 500 МГц с умножением рабочей частоты в 2,5 раза (использовалась новая системная шина, поддерживающая тактовую частоту 200 МГц). Встроенная в процессор K7 кэш-память второго уровня имела объём 512 Кбайт или 1 Мбайт. Кроме того, процессор K7 содержал усовершенствованное устройство обработки чисел с плавающей точкой, имеющее «сверхмасштабную» архитектуру, позволяющую обрабатывать две инструкции одновременно. Это обеспечивало производительность устройства обработки чисел с плавающей точкой до 1 млн операций в секунду. Процессор K7 рассматривался как альтернатива процессорам IntelXeon, предназначенная для серверов и рабочих станций.

    Можно сконструировать систему, содержащую несколько центральных процессоров. Такая система будет содержать единую системную шину и общие память и другие внешние устройства. Но при этом каждый микропроцессорный модуль, который, кроме главного процессора, может содержать также сопроцессор(ы) и (или) независимый(е) процессор(ы), должен иметь собственную логику управления шиной (контроллер шины, защёлки адреса и приёмопередатчики). Отдельные модули могут и не содержать главного процессора. Такая конфигурация называется слабо связанной, в отличие от сильно связанной конфигурации, где отдельные микропроцессоры разделяют общую логику управления шиной. Слабо связанная конфигурация обладает следующими достоинствами:

    • повышается пропускная способность (объём кода, исполняемого в единицу времени) системы;
    • система допускает модульное расширение: отдельные модули можно добавлять или удалять, не влияя на остальные модули в системе;
    • отказ в одном модуле обычно не вызывает простоя всей системы, а отказавший модуль можно легко найти и заменить;
    • каждый модуль может иметь локальную шину для доступа к собственной памяти или устройствам ввода-вывода, чем достигается более высокая степень параллельной обработки.

    Поскольку каждый из модулей работает независимо, для разрешения задачи арбитража шины потребуется дополнительная логика доступа к шине, обеспечивающая, чтобы в один момент времени шиной управлял только один модуль. Одновременные запросы шины учитываются на приоритетной основе. Имеется несколько способов задания приоритетов, например, приоритетная цепочка (при запросе свободной шины разрешение доступа к ней «спускается» модулями от наиболее приоритетного к наименее приоритетному, пока разрешение не дойдёт до запросившего шину модуля), опрос (при запросе свободной шины разрешение доступа к ней предлагается арбитром шины каждому модулю в порядке приоритета, пока предложение не дойдёт до запросившего шину модуля) и независимое запрашивание (каждый модуль имеет свою линию запроса шины, и при запросе свободной шины разрешение доступа к ней даётся непосредственно наиболее приоритетному модулю из запросивших шину). Выбор реализации логики доступа к шине определяется прежде всего числом модулей в системе. Производятся специальные микросхемы для арбитража шины в слабо связанных конфигурациях, например, Intel 8289 для систем на базе микропроцессоров 8086/8088. Некоторые виды арбитража, например, приоритетная цепочка, не требуют отдельной микросхемы арбитра шины.

    Все современные компьютеры имеют слабо связанную конфигурацию с ярко выраженным центральным модулем (ЦП, сопроцессор, кэш-память) и дополнительными модулями (видеоподсистема, аудиоподсистема, подсистема ввода-вывода, контроллеры внешних устройств). Для их связи применяются различные конструкции расширимых системных шин. Среди таких конструкций следует отметить следующие стандарты:

    ISA (16-разрядная шина данных, 24-разрядная шина адреса, разработан фирмой IBM для своего ПК IBM AT);

    EISA(32-разрядные шины адреса и данных, разработан в 1988 г., совместим со стандартом ISA);

    MCB (32-разрядные шины адреса и данных, разработан фирмой IBM в 1987 г. для компьютеров IBM PS/2, несовместим с другими стандартами);

    VESA (32-разрядные шины адреса и данных, разработан для процессора Intel 486 и несовместим с другими типами процессоров);

    В настоящее время наиболее распространены шины стандарта PCI.

    Рисунок 18 – блок-схема архитектуры процессора К6

    Рисунок 19 – блок-схема архитектуры процессора К8

    1. Процессоры: Intel  и AMD

    Сравнительная характеристика двух ведущих компаний представлена в таблице 3

    Таблица 3 – Характеристики процессоров Intel и AMD

    Corei7 920

    PhenomIIX4 920

    PhenomX4 9950

    Ядро

    Bloomfield

    Deneb

    Agena

    Микроархитектура

    Nehalem

    Stars

    Stars

    Техпроцесс, нм

    45

    45

    65

    Кол-во транзисторов, млн. шт.

    731

    758

    450

    Площадь кристалла, кв. мм.

    263

    258

    285

    Тактовая частота, МГц

    2660

    2800

    2600

    Кэш L1, Кбайт

    4 x 32+32

    4 x 64+64

    4 x 64+64

    Кэш L2, Кбайт

    4 x 256

    4 x 512

    4 x 512

    Кэш L3, Мбайт

    8

    6

    2

    Тепловыделение, Вт

    130

    125

    125

    При сравнении процессоров Intel Corei7 92, AMD PhenomIIX4 920 и PhenomX4 9950, то можно сделать вывод о том, что в целом AMD PhenomIIX4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (Core 2Quad) и весьма значительно отстает от Intel Corei7. Но в сравнении PhenomX4 и PhenomIIX4 сделан значительный шаг вперед. Говоря о цене: Intel стоит почти в  два раза больше, чем AMD.

    Рисунок 20 – Поколения процессоров

    1. Микропроцессоры: арифметические процессоры WeitekAbacus

    Фирма Weitek (ныне часть фирмы MicroWayIncorporated) была основана в 1981 г. бывшими инженерами фирмы Intel. К 1985 г. фирма Weitek предложила собственные арифметические процессоры для рабочих станций на базе процессоров MC68020 фирмы Motorola и SPARC фирмы SunMicrosystems. В это же время фирмы Weitek и Intel заключили контракт о разработке арифметического процессора, совместимого с микропроцессором 80386. Это привело к созданию семейства независимых арифметических процессоров Abacus, состоящего из набора микросхем 1167 и микросхем 3167 и 4167.

    Набор микросхем 1167 состоит из двух арифметических процессоров, разработанных для микропроцессора MC68020, и схем сопряжения с системной шиной процессора 80386. Физически набор 1167 представляет собой небольшую плату, вставляемую в специальное 112-контактное гнездо системной платы, обозначаемое EMC. Плата 1167 содержит также 68-контактное гнездо для установки арифметического сопроцессора 80387. Поэтому в одну систему можно установить одновременно арифметические процессоры фирм Intel и Weitek, что позволяет получить увеличение производительности вычислений с плавающей точкой в программах, рассчитанных на любой из этих процессоров.

    В 1988 г. был выпущен также процессор 3167, аналогичный по архитектуре набору 1167, но заключённый в едином корпусе. Соответственно, одновременно с процессором 3167 уже нельзя было устанавливать сопроцессор типа 80387, если его установка не допускалась конструкцией системной платы. Утверждается, что процессоры 1167/3167 способны выполнять вычисления в 2 – 4 раза быстрее сопроцессора 80387.

    С ноября 1989 г. выпускался также процессор 4167, совместимый с микропроцессором 486SX. Процессор 4167 способен выполнять все программы, написанные для предыдущих арифметических процессоров семейства Abacus.

    Отличительной чертой всех арифметических процессоров семейства является их реализация в виде независимых процессоров, взаимодействующих с центральным процессором через специально для этого отведённую область памяти. Это позволяет несколько поднять производительность системы, т.к. программа для процессора Abacus один раз формируется в памяти, а не выбирается из неё побайтно или пословно. Как известно, одной из самых медленных операций процессора является доступ к памяти, и использование независимых арифметических процессоров позволяет избежать этой операции.

    С другой стороны, арифметические процессоры Weitek, выпускавшиеся в нестандартных корпусах, нельзя было установить на большинство плат, рассчитанных на установку арифметического сопроцессора (хотя и возможно создание универсального гнезда для сопроцессоров 3167/4167 и 80387). Кроме того, эти процессоры несовместимы с сопроцессорами семейства Intel 80x87 по системе команд, и поэтому программы, рассчитанные на использование сопроцессора 80387, не получали преимуществ от установки в систему процессора фирмы Weitek. Несмотря на всё это, некоторые фирмы модернизировали свои программы с целью поддержки процессоров фирмы Weitek; в числе таких фирм присутствует и фирма Microsoft, добавившая поддержку этих процессоров в свою операционную систему MS-DOS начиная с версии 6.0.

    Фирма Cyrix также выпускала собственные независимые арифметические процессоры EMC87, несовместимые с процессорами фирмы Weitek по системе команд, но устанавливающиеся в такое же 112-контактное гнездо. Особенностью процессоров EMC87 является то, что их можно запрограммировать на работу в режиме сопроцессора; в этом случае они становятся полностью совместимыми с процессорами семейства Intel 80x87. Так можно получать преимущества от каждого из способов организации арифметических процессоров – в виде сопроцессора или арифметического процессора. Отметим, что внутреннее устройство процессора EMC87 аналогично устройству арифметических сопроцессоров 83S87/83D87 той же фирмы Cyrix. Поэтому в режиме сопроцессора процессор EMC87 не даёт никаких преимуществ по сравнению с сопроцессором 83D87. Все эти процессоры – 83S87/83D87 и EMC87 – предназначены для работы с ЦП типа 80386.

    Процессор ввода-вывода 8089 имеет 53 команды, которые разделяют на следующие группы:

    • общие передачи данных (5 команд);
    • арифметические операции (8 команд);
    • логические операции (10 команд);
    • команды загрузки и запоминания указателей (2 команды);
    • условные и безусловные переходы, вызовы подпрограмм (20 команд);
    • операции манипуляции битами и проверки (2 команды);
    • команды управления процессором (6 команд).

    Список использованных источников

    1. Букчин Л. В., Безрукий Ю. Л. Дисковая подсистема IBM-совместимых персональных компьютеров. – М.: Бином, 1993.
    2. Горбунов В. Л., Панфилов Д. И., Преснухин Д. Л. Справочное пособие по микропроцессорам и микроЭВМ. – М.: Высшая школа, 1988.
    3. Григорьев В. Л. Архитектура и программирование арифметического сопроцессора. – М.: Энергоатомиздат, 1991.
    4. Джордейн Р. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC, XT и AT. – М.: Финансы и статистика, 1992.
    5. Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. – М.: Радио и связь, 1987.
    6. Микропроцессорный комплект К1810. Казаринов Ю. М., Номоконов В. Н., Подклетнов Г. С., Филиппов Ф. В. – М.: Высшая школа, 1990.
    7. Intel думает о том, а не назвать ли новый процессор как-нибудь по-другому. // КомпьютерПресс, 1992, сентябрь.

Процессоры общие (центральные) на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. ЦЕНТРАЛЬНЫЕ БАНКИ

2. Текстовые процессоры

3. Табличные процессоры

4. ЦЕНТРАЛЬНЫЕ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИЕ ОБЪЕКТЫ КПК

5. Центральные банки и основы их деятельности

6. Конечные распознающие автоматы. Процессоры

7. Центральные банки. Основы денежно-кредитной политики

8. Центральные банки. Общая характеристика центральных банков

9. Excelкестелік процессоры. Күрделі өрнектерді есептеу. Крамер әдісі

10. Word текстік процессоры .Құжатқа суреттер, графиктік объектілер орнату