История развития микропроцессора

1. Кэш первого  уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся  внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных  циклов.
2. Кэш второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня.
3. Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая.

     Многоуровневая  кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время  доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной  кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых  операций, однако ее увеличение вовсе  не обязательно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько  приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками.

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора  при операции чтения из памяти, но в  ней также могут храниться  значения, записываемые процессором  в основную память; записать эти  значения можно будет позже, когда  основная память будет не занята. Такая  кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности  и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует  только в операции чтения из памяти.

• Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в  которые вставляются печатные платы,  либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине  может  быть  подключено много  приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие  сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители  могут быть однонаправленными (т.е.  осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то  и  другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью. 

Типы шин:

1. Шина данных. Служит для пересылки данных между процессором и памятью или процессором и устройствами ввода-вывода. Эти данные могут представлять собой как команды микропроцессора,  так и информацию, которую он посылает в порты ввода-вывода или принимает оттуда.
2. Шина адресов. Используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.
3. Шина управления. По ней передаются управляющие сигналы,  предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

• BTB (Branch Target Buffer) - буфер целей ветвления. В этой таблице находятся все адреса, куда будет или может быть сделан переход. Процессоры Athlon еще используют таблицу истории ветвлений (BHT - Branch History Table), которая содержит адреса, по которым уже осуществлялись ветвления.

• Регистры - это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информации микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций.  Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд).  Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

            Некоторые важные регистры имеют  свои названия, например:

1. сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.
2. счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти.
3. регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

1.4. Основные характеристики  микропроцессоров  ПК

     К основным характеристикам микропроцессора  можно отнести такие показатели как тактовую частоту, разрядность  процессора, размер кэш-памяти, тип  ядра, форм-фактор и т.д. Рассмотрим вышесказанное более подробно.

     1. Тактовая частота. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду). Пик спроса сегодня приходится на процессоры с частотой от 3 до 4 ГГц.

      2. Разрядность процессора. Если тактовую  частоту процессора можно уподобить  скорости течения воды в реке, то разрядность процессора —  ширине ее русла. Понятно, что  процессор со вдвое большей  разрядностью может «заглотнуть»  вдвое больше данных в единицу  времени — в том случае, конечно,  если это позволяет сделать  специально оптимизированное программное  обеспечение. Разpядность пpоцессоpа - максимальное количество pазpядов двоичного кода, котоpые могут обpабатываться или пеpедаваться одновpеменно.

     3. Размер кэш-памяти. В эту встроенную  память процессор помещает все  часто используемые данные. Кэш-память  в процессоре имеется двух  видов. Самая быстрая — кэш-память  первого уровня (16—32 кб у процессоров  Intel и до 128 кб — в последних моделях AMD).

     Существует  еще чуть менее быстрая, но зато более  объемная кэш-память второго уровня — и именно ее объемом отличаются различные модификации процессоров.

     4. Тип микpопpоцессоpа. Тип установленного в компьютеpе микpопpоцессоpа является главным фактоpом, опpеделяющим облик ПК. Именно от него зависят вычислительные возможности компьютеpа. В зависимости от типа используемого микpопpоцессоpа и опpеделенных им аpхитектуpных особенностей компьютеpа pазличают пять классов ПК:

• компьютеры класса XT;
• компьютеpы класса AT;
• компьютеpы класса 386;
• компьютеpы класса 486;
• компьютеpы класса Pentium.

     5. Быстpодействие микpопpоцессоpа - это число элементаpных опеpаций, выполняемых  микpопpоцессоpом  в  единицу вpемени (опеpации/секунда).

     6. Аpхитектуpа микpопpоцессоpа. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

     В соответствии с аpхитектуpными особенностями, опpеделяющими свойства системы команд, pазличают:

• микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;
• микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;
• микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

     микропроцессоры типа MISC с минимальным набором  системы команд и весьма высоким  быстродействием и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. История развития микропроцессора.

1. Этапы технологии производства.

    История развития технологии производства процессоров  полностью соответствует истории  развития технологии производства элементной базы.

    Первым  этапом затронувшим период с сороковых  по конец пятидесятых 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 пятидесятых до середины шестидесятых, 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 шестидесятых 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 стало создание микропроцессора, при котором на одной микросхеме 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.

    Первым  общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был  выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

    Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие  за основу стековую вычислительную модель.

2.2. Современная технология изготовления.

    В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного  модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.

    Первоначально перед разработчиками ставится техническое  задание, исходя из которого принимается  решение о том, какова будет архитектура  будущего процессора, его внутреннее устройство, технология изготовления. Перед различными группами ставится задача разработки соответствующих  функциональных блоков процессора, обеспечения  их взаимодействия, электромагнитной совместимости. В связи с тем, что процессор фактически является цифровым автоматом, полностью отвечающим принципам булевой алгебры, с  помощью специализированного программного обеспечения, работающего на другом компьютере, строится виртуальная модель будущего процессора. На ней проводится тестирование процессора, исполнение элементарных команд, значительных объёмов  кода, отрабатывается взаимодействие различных блоков устройства, ведётся оптимизация, ищутся неизбежные при проекте такого уровня ошибки.