Микропроцессоры

  Введение 

 Целью данного обзора не является определение лучшего процессора или производителя, каждый рассмотренный процессор (мы рассмотрим далеко не все) внес новые технологии, переработанную систему команд, функции энергосбережения или другие новшества, которые отразились на последующих процессорах (или отразятся позже). Данный реферат, скорее история развития микропроцессоров и усовершенствования основных характеристик, отличающих от аналогичных процессоров. Я пыталась сохранить ход истории в правильном порядке, но некоторые даты могут не соответствовать действительности по ряду причин, например, анонсирование процессоров происходило в "горячке" с одним тестовым процессором на руках, а массовый выпуск данного процессора мог быть уже с усовершенствованным ядром месяцем позже (или через полгода). В этой статье рассмотрены процессоры 1-7 поколения, включая 32-разрядные современные процессоры.

В 1959г. инженеры фирмы “Texas Instruments” разработали способ, как разместить внутри одного полупроводникового кристалла несколько транзисторов и соединить их между собой – родилась первая интегральная микросхема (ИМС). По сравнению с функционально теми же устройствами, собранными из отдельных транзисторов, резисторов и т.п., ИМС обладает значительными преимуществами: меньшими габаритами, более высокой надежностью и т.д. Неудивительно, что количество выпускаемых микросхем стало быстро возрастать, а их ассортимент неуклонно расширяться. Последнее обстоятельство создавало ряд трудностей для потребителей. Важно даже не столько то, что стремительно возраставшее количество типов ИМС затрудняло ориентацию в море наименований. Значительно большим недостатком была узкая специализация ИМС, из-за которой объем их выпуска не мог быть большим, а значит, стоимость одной микросхемы оставалась высокой. Улучшить ситуацию позволило бы создание универсальной логической ИМС, специализация которой определялась бы не заложенной на заводе внутренней структурой, а заданной непосредственно самим потребителем программой работы.

   Таким образом, оказывается, что первые микропроцессоры (МП) появились совсем не для миниатюризации ЭВМ, а в целях создания более дешевой логической микросхемы, легко адаптируемой к потребностям пользователя.

   История создания первого в мире микропроцессора достаточно поучительна. Летом 1969г. японская компания “Busicom”, разрабатывавшая новое семейство калькуляторов, обратилась за помощью в фирму “Intel”. К тому времени “Intel” просуществовала всего около года, но уже проявила себя созданием самой емкой на тот момент микросхемы памяти. Фирме “Busicom” как раз и требовалось изготовить микросхемы, содержащие несколько тысяч транзисторов. Для реализации совместного проекта был привлечен инженер фирмы “Intel” М.Хофф. Он познакомился с разработками “Busicom” и предложил альтернативную идею: вместо 12 сложных специализированных микросхем создать одну программируемую универсальную – микропроцессор. Проект Хоффа победил и фирма “Intel” получила контракт на производство первого в мире микропроцессора.

   Практическая реализация идеи оказалась непростым делом. В начале 1970г. к работе подключился Ф.Фаджин, который за 9 месяцев довел процессор от описания до кристалла (позднее Ф.Фаджин основал фирму “Zilog”, создавшую замечательный 8-разрядный процессор Z80, который успешно работал во многих домашних компьютерах). 15 ноября 1971г. “Intel 4004” – так назвали процессор – был представлен общественности.

   Поскольку для хранения одной цифры калькулятору требуется 4 бита (именно столько необходимо для изображения десятичных цифр “8” и “9”), “Intel 4004” был четырехразрядным процессором. Следующий микропроцессор предназначался для установки в терминал и должен был обрабатывать символьную информацию. Поскольку каждый символ кодируется одним байтом, следующая модель “Intel 8008” стала 8-разрядной; она появилась в апреле 1982г. По-прежнему этот процессор был заменой “аппаратной логики”, но отдельные энтузиасты уже пытались собрать на нем компьютер. Результаты были скорее демонстрационными, нежели полезными, но микрокомпьютерная революция уже началась.

   А в апреле 1974г. компания “Intel” совершила новый качественный скачок: ее изделие с маркой “Intel 8080” стало первым в мире процессором, походившим на “настоящую” вычислительную машину. Отметим любопытную деталь: хотя процессор и обрабатывал 8-разрядные данные, но адрес ОЗУ был двухбайтовым! Таким образом, 8080 мог иметь до 64 килобайт памяти и работал на тактовой частоте 2 МГц, что по тем временам казалось программистам недостижимым пределом. Он разошелся миллионными тиражами и заложил основу во всю дальнейшую архитектуру процессоров. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Первое поколение процессоров. Очередной революционный процессор Intel – i8086 – появился в 1978 г. Его основные характеристики – 16-разрядные регистры, 16-разрядная шина данных, сегментная адресация памяти 20 бит – это уже 1 Мбайт. Тактовая частота 4,77–10 МГц. Более дешевый вариант i8086 – это процессор i8088 – имеет 8 разрядную шину данных. Процессоры i8086/88 могли работать с внешним математическим сопроцессором i8087 (устанавливался в специальный разъем на плате). i8086 унаследовал большую часть множества команд 8080 и Z80. Все современные процессоры (в обязательном порядке) поддерживают набор команд процессора i8086, совместимость "снизу-вверх" - любую программу, написанную для i8086, можно запустить на Pentium 4 или Athlon XP.

   Второе поколение процессоров. Память в 1 Мбайт – была довольно долго большим объемом, но со временем ее оказалось мало. Для доступа к большему объёму памяти нужно было устанавливать драйвера расширенной памяти EMS, с помощью которых через окошко 64 Кбайта можно было получить доступ к 32 Мбайтам. В 1982 г. Intel представляет 80286 (в конце 80-х в СССР такой компьютер стоил как две машины "Волга", если кому нужен сейчас, могу продать по дешевке :-) ) с расширенной шиной 24 бита (16 Мбайт памяти) и защищенным режимом работы. До этого в процессорах отсутствовала поддержка на процессорном уровне защиты программ от взаимного влияния, такое нововведение стимулировало производителей программного обеспечения на выпуск многозадачных операционных систем (Windows, OS/2).

   Третье поколение процессоров. Действительно развитие многозадачности началось после выхода микропроцессора i80386 в 1985 г. Это первый 32-разрядный процессор, который положил начало семейству процессоров IA-32 (32-bit Intel Architecture). Главные отличительные особенности этого процессора: 32-разрядные шины адреса и данных (адресация 4 Гбайт); добавление 32-разрядных регистров; введен новый режим работы процессора – виртуальный 8086 процессор; страничная адресация памяти (стало возможно организовать виртуальную память). Введена концепция параллельного функционирования внутренних устройств процессора: шинный интерфейс, блок предварительной выборки, блок декодирования команд, исполнительный блок, блок сегментации, блок страничной адресации.

   Четвертое поколение процессоров. Концепция параллельного функционирования внутренних устройств нашла свое дальнейшее развитие в процессоре i80486 (1989 г., модели SX, SX2, DX, DX2, DX4) в виде конвейеризации вычислений (5 ступеней). Основные отличия: наличие встроенного математического сопроцессора (модели DX, DX2, DX4); поддержка многопроцессорного режима работы; два вида кэш-памяти – внутренней 8 Кбайт (L1) и внешней (L2). Начиная с процессора i80486, все последующие модели процессоров Intel поддерживают различные концепции энергосбережения. Интересно, что совершенствование i80486 шло в ходе его промышленного выпуска. Вследствие этого по своим возможностям следующие по времени выпуска процессоры i80486 отличались от предыдущих.

  Пятое поколение процессоров. Первый Pentium 60 (66), знаменитый своей ошибкой блока с плавающей точкой, был представлен в начале 1993г. К внутреннему кэшу команд добавили 8 Кбайт для данных. Разработана суперскалярная архитектура (с двумя конвейерами u и v) – выполнение двух команд за один такт. Реализована технология предсказания переходов (branch prediction). Внутренние шины стали 128 и 256 бит, внешняя шина данных 64 бит.

Шестое  поколение процессоров. Линейку процессоров Pentium 75-200 МГц можно охарактеризовать по следующим особенностям: кэш L1 16 Кбайт на кристалле процессора; кэш L2 256/512 Кбайт внешний на материнской плате; технология изготовления 0,35 микрон (для процессоров 120 МГц и ниже 0,6 микрон); содержит около 3,3 миллиона транзисторов.

   В это время помимо Intel, можно отметить еще двух производителей процессоров это Cyrix и AMD, которые совместно с IBM разрабатывают стандарт "Р-рейтинг" для обозначения производительности процессора. "Р-рейтинг" любого процессора равен величине тактовой частоты процессора Intel Pentium, показавший такой же или более высокий результат в абсолютно идентичной конфигурации (замеры производились при на тесте Winstone 96). Конечно, кроме рейтинга, эти две корпорации выпустили еще и процессоры, которые по соотношению цена/возможности превосходили процессоры Intel.

   AMD выпускает процессор К5-PR133 (реально работающий на частоте 116,7 МГц). Этот процессор имеет встроенный кэш 24 Кбайт, технология изготовления 0,35 микрон, около 4,3 миллионов транзисторов. Процессоры CYRIX (и идентичные им с лейблом IBM) имеют официальные названия 6х86 Р120+, 6х86 Р133+, 6х86 Р150+, 6х86 Р166+, 6х86 Р200+. Откуда "+"? Дело в том, что при выполнении 32-разрядных тестов процессоры К5 и 6х86 показывают примерно на 11% большую производительность на соответствующем процессоре Pentium. Особенности 6х86: кэш 16 Кбайт, дополнительный кэш для команд 256 б; технология изготовления 0,5 микрон (0,65 для Р120+); количество транзисторов около 3 млн.

   Седьмое поколение процессоров. В конце 1995г. Intel выпускает Pentium Pro, который до начала 1997 г. остается самым мощным (быстрее 8088 в несколько тысяч раз) и дорогим процессором. С этого процессора начинается архитектура Р6. Он выпускался с тактовыми частотами 150-200 МГц, имеет встроенный кэш первого уровня 16 Кбайт, второго 256/512 Кб (на кристалле процессора), технология изготовления 0,35 микрон, внутренняя шина 300 бит, около 5,5 млн. транзисторов. Высокая стоимость самого процессора и системной платы под него, высокое энергопотребление, а также заметный прирост производительности только под 32-разрядними операционными системами (Windows NT, OS/2) делают нецелесообразным использование Pentium Pro в компьютерах массового спроса, он находит свое применение в серверах и рабочих станциях.

   Начиная с модели Pentium 133, был введен блок ММХ-команд (MultiMedia eXtensions). Цель данного блока увеличить производительность приложений по обработке звука, изображений, архивирования и др. Работа по обработке изображений на процессорах с ММХ выполнялась на 50% быстрее (если приложение не оптимизировано под ММХ, то на 7-11%). Кроме блока ММХ-команд, изменился еще и размер кэш-памяти до 32 Кбайт. Процессоры Pentium ММХ выпускались с рабочими частотами 133-233 МГц.

   1997г. - процессоры Pentium ММХ снимаются с производства, а в качестве альтернативы Intel выпускает Pentium II и Celeron. Если считать Pentium ММХ – обычным Pentium + ММХ, Pentium II – это усовершенствованный Pentium Pro с поддержкой ММХ. В этом процессоре удвоен объем кэш-памяти 16 Кбайт – для данных, 16 Кбайт – для команд. Кэш второго уровня выполнен не на кристалле (с целью удешевить процессор) и не на материнской плате (заметное снижение быстродействия). Был разработан новый разъем для процессора Slot 1 и сам процессор теперь представлял собой не отдельную микросхему, а картридж, внутри которого находился процессор и кэш второго уровня 512 Кбайт. При этом частота работы кэш-памяти второго уровня была в 2 раза ниже частоты процессора. Частота системной шины первых Pentium II была 66 МГц, а сами процессоры при этом работали на частотах 233-333 МГц. Позже Intel выпускает модификации Pentium II для частоты системной шины 100 МГц (модельный ряд 350, 400 МГц).

   На рынок серверов выходят процессоры Xeon, отличающиеся от Pentium II размером кэша второго уровня 512/1024/2048 Кбайт (соответственно и ценой), разъем Slot 2. Он также обеспечивал поддержку многопроцессорности (до 8 процессоров, работающих одновременно).

   Для дешевых настольных компьютеров выходит модификация Pentium II под названием Celeron (кодовое название ядра Covington). Первые два процессора Celeron 266 и 300 МГц отличались от Pentium II отсутствием внешнего контейнера и кэша второго уровня. Последующая модель выходит с индексом "А", что говорит о наличии кэша второго уровня 128 Кбайт, в исполнении Slot 1. Что бы еще больше удешевить Celeron, корпорация Intel выпускает линейку процессоров, начиная от Celeron 300А заканчивая Celeron 500 (все содержат кэш второго уровня). На рынке присутствуют 2 идентичных набора процессоров, отличающиеся только разъемом Slot 1 (картридж) и Socket 370 (микросхема с 370 ножками). Еще маленькая деталь из жизни Celeron-ов, они работают на частоте системной шины 66 МГц. Celeron 300А можно использовать на частоте 100 МГц (небольшой разгон, собственно это Pentium II только с урезанной памятью), при таком изменении он "превращается" в Celeron 450А и работает (в некоторых приложениях) быстрее Pentium II 450, !!! т. к. кэш второго уровня, хоть и обрезанный, но работает на частоте ядра процессора (у Pentium II в 2 раза ниже).

                                                                         Intel Celeron 400 Socket 370 в пластиковом корпусе PPGA, вид снизу.

   Один из соперников Pentium II был процессор Cyrix 6x86Mx (M2). Это переработанный 6x86, с улучшенной архитектурой (на 150-200% быстрее простого 6х86 той же частоты), также были добавлены некоторые команды к ММХ, дающие в итоге большой выигрыш в скорости (если приложение оптимизировано под эти процессоры!), например, множественное накопление (используется в 3D графике) выполнялось за два такта, вместо 3 - у Intel. Первые версии работали на частотах 180, 200 МГц, потом добавились 225 и 233МГц (225 работал быстрее 233!!!, т.к. использовал системную шину 75 МГц). Процессор имел встроенный кэш первого уровня 64 Кб (более рационально использовался), технология 0,25 микрон.

   Корпорация AMD выпускает процессор К6, который не может похвастаться более высокой производительностью, но значительно дешевле процессоров от Intel, к тому же остался на старом разъеме Socket 7 (у Intel уже есть Socket 7, Socket 370, Slot 1, Slot 2). Размер кэш первого уровня 32 Кб данные, 32 Кб команды, технология 0,35, тактовая частота 166-233. К6 позиционируется как прямой конкурент Celeron. Соперник Pentium II в борьбе за покупателя был К6-2 (К6-3D), который содержит ряд команд для оптимизации работы с трехмерной графикой и звуком (3DNow!, оптимизация была включена в DirectX6, после успеха игры Quake2, разработчики видеокарт оптимизировали свои продукты под 3DNow!), устанавливается в Socket 7. Рабочие частоты 266-475 МГц.