История развития микропроцессоров

Автор: Administrator | 12 февраля 2017 13:27

Термин " микропроцессор" был впервые употреблен в 1972 г., хотя годом рождения этого прибора следует считать 1971 г., когда фирма Intel выпустила микропроцессор серии 4004 - " интегральное микропрограммируемое вычислительное устройство ", представляющее собой однокристальный центральный процессор, имеющий в своем составе 4-разрядный параллельный сумматор, 16 4- х - разрядных регистров, накапливающий сумматор и стек . Микропроцессор 4004 был реализован на 2300 транзисторах и мог выполнять 45 различных команд. Последующие поколения микропроцессоров, представляющие собой 8-, 16- и 32-разрядные устройства , появились соответственно в 1972, 1974 и 1981гг .

При оценке параметров микропроцессора и выборе микропроцессорной серии наибольшую роль играет разрядность прибора, которая задает элементарный объем обрабатываемых данных. Чем больше разрядность, тем выше производительность и шире возможности адресации. В ранних приборах разрядность регистров, шин управления , а также информационных шин почти всегда была одинаковой. Сейчас такая структура встречается редко. Например, микропроцессор Motorola 6800 имеет 32-разрядную внутреннюю архитектуру, 16-разрядную шину данных и 24- разрядную адресную шину ( адресует до 16 Мбайт оперативной памяти). Для удобства такую архитектуру называют 32/16/24.

В настоящее время стремятся к большей разрядности, например делают полную 32-разрядную архитектуру (32/32/32).

Если считать, что выпуск предыдущих микропроцессоров должен прекращаться при появлении кристаллов с более высокой разрядностью , то 4-разрядные производились бы всего 1 год , 8- разрядные - 5 лет, 16- разрядные - 5 лет ( табл.).

Однако следует оговориться: 4- разрядные микропроцессоры производятся и применяются до настоящего времени.

В начале развития микропроцессоры изготовлялись по р- МОП технологии , затем специалисты стали отдавать предпочтение комплементарной МОП- технологии (КМОП ). Теперь применяется множество разнообразных видов технологии и технологических приемов при изготовлении микропроцессоров: n-МОП технология с обогащением и с обеднением, биполярная технология , технология И2Л и др. Например, за первые 20 лет развития микропроцессорной техники в США зарегистрированы 237 технологических нововведений , из них 67 революционных .

Проследим историю развития микропроцессоров на примере семейства процессоров х86.

Первый 16-разрядный процессор i8086 фирма Intel выпустила в 1978 году . Частота - 5 Мгц, производительность - 0,33 MIPS для инструкций с 16- битными операндами ( позже появились процессоры 8 и 10 МГц ). Технология 3 мкм , 29 000 транзисторов . Адресуемая память 1 Мбайт. Через год появился i8088 - тот же процессор, но с 8-разрядной шиной данных. С него началась история IBM PC, неразрывно связанная со всем дальнейшим развитием процессоров Intel, Массовое распространение и открытость архитектуры IBM PC привели к лавинообразным темпам появления нового программного обеспечения, разрабатываемого
крупными, средними и мелкими фирмами , а также энтузиастами - одиночками. Технический прогресс тогда и сейчас был бы немыслим без развития процессоров, но, с учетом огромного объема уже существующего программного обеспечения для PC, уже тогда возник принцип обратной программной совместимости - старые программы должны работать на новых процессорах. Таким образом, все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к существующему ядру .

Процессор i80286, знаменующий следующий этап архитектуры , появился только в 1982 году . Он уже имел 134000 транзисторов ( технология 1,5 мкм ) и адресовал до 16 Мбайт физической памяти. Его принципиальные новшества - защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гбайт - не нашли массового применения; процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

Рождение 32-разрядных процессоров (архитектура IA-32 - Intel Architecture 32 bit) ознаменовалось в 1985 году моделью i80386 (275000 транзисторов , 1,5 мкм ). Разрядность шины данных ( как и внутренних регистров) достигла 32 бит, адресуемая физическая память - 4 Гбайт. Появились новые регистры , новые 32- битные операции, существенно доработан защищенный режим , были введены режим V86 и страничное управление памятью . Процессор нашел широкое применение в PC; на его благодатной почве стал разрастаться " самый большой вирус" - Microsoft Windows с приложениями. С этого времени стала заметна тенденция " положительной обратной связи": на появление нового процессора производители ПО реагируют выпуском новых привлекательных продуктов, последующим версиям которых становится тесно на новом процессоре . Появляется более производительный процессор, но после непродолжительного восторга и его ресурсы быстро признаются недостаточными, затем история повторяется. Этот " замкнутыйкруг ", конечно , естественен, но есть обоснованное подозрение , что большие ресурсы развращают (или , по крайней мере, расслабляют)
разработчика ПО, не принуждая его напрягаться в поисках более эффективных способов решения задачи . Примером эффективного программирования можно считать игрушки на Sinclair ZX-Spectrum, которые работают на минимальных ресурсах - 8- разрядном процессоре и 64 (128) Кбайт ОЗУ . С противоположными примерами большинство пользователей PC сталкиваются регулярно, но, имея процессор Celeron 533 и 64 Мбайт ОЗУ , на них не всегда обращают внимание.

История процессора 80386 повторила судьбу 8086/8088: первую модель с 32- разрядной шиной данных ( впоследствии названной 386DX) сменил 386SX с 16- разрядной шиной . Он довольно легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее базировавшуюся на процессоре 80286.

Процессор Intel486DX появился в 1989 году . Транзисторов - 1,2 млн , технология 1 мкм . От процессора 80386 существенно отличается размещением на кристалле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора - FPU (предыдущие процессоры использовали внешние сопроцессоры х87). Кроме того , для повышения производительности в этом CISC-процессоре ( как и в последующих ) применено RISC- ядро . Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессора , применением внутреннего умножения частоты, политикой кэширования и другим. Тогда же Intel занялась энергосбережением , что
отразилось и в линии 386 - появился процессор Intel386SL.

В 1993 году появились первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц - 32-разрядные процессоры с 64- разрядной шиной данных. Транзисторов 3,1 млн , технология 0,8 мкм , питание 5 В. От 486 процессор Pentium принципиально отличается суперскалярной архитектурой - способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций ( что, конечно , не означает возможности прохождения инструкции через процессор за полтакта ). Интерес к процессору со стороны производителей и покупателей PC сдерживался его очень высокой ценой . Кроме того , возник скандал с ошибкой в сопроцессоре . Хотя фирма Intel математически обосновала невысокую вероятность ее проявления ( раз в несколько лет), она ( фирма , а не ошибка) все- таки пошла на бесплатную замену уже проданных процессоров на новые , исправленные.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году , представляли второе поколение процессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм , что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения отличались внутренним умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и другим типом корпуса. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений (блокнотных PC). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярными в PC. В 1995 году были выпущены процессоры на 120 и 133 МГц , выполненные уже по технологии 0,35 мкм ( первые процессоры на 120 МГц делались по технологии 0,6 мкм ). 1996-й называют годом Pentium -появились процессоры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором в массовых PC.

Параллельно с Pentium развивался и процессор Pentium Pro, который отличался " динамическим исполнением ", направленным на увеличение числа параллельно исполняемых инструкций. Кроме того , в его корпусе разместили вторичный кэш , работающий на частоте ядра , - для начала объемом 256 Кбайт. Однако на 16- разрядных приложениях , а также в среде Windows 95 он был ничуть не быстрее Pentium. Процессор содержит 5,5 млн транзисторов ядра и 15,5 млн транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кбайт. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года ( технология 0,6 мкм ), а уже в конце года были достигнуты частоты 166, 180 и 200 МГц ( технология 0,35 мкм ), а кэш увеличен до 512 Кбайт.

В начале 1997 года фирма Intel выпустила процессоры Pentium ММХ. Технология ММХ (MultiMedia Extensions, мультимедийные расширения) предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений, в частности операций с изображениями и обработки сигналов . Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки -распаковки . Кроме того , ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется обработка 80- битных операндов. Кроме ММХ, эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша и некоторые элементы архитектуры , позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производительность Pentium ММХ на обычных приложениях . Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн . транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм . Развитие линейки моделей Pentium ММХ сейчас остановилось . Последние достигнутые тактовые частоты - 166, 200 и 233 МГц. Для мобильных применений ( блокнотных ПК) процессоры под кодовым названием Tillamook выпускались по технологии 0,25 мкм , тактовая частота достигла 266 МГц при уменьшенной потребляемой мощности.

В мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой , в которое ввели поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша и процессорного ядра в корпусе одной микросхемы преодолели нехитрым способом - кристалл с ядром (processor core) и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш , разместили на небольшой печатной плате - картридже . Первые процессоры имели частоту ядра 233, 266 и 300 МГц ( технология 0,35 мкм ), летом 1998 года была достигнута частота 450 МГц ( технология 0,25 мкм ), причем внешняя тактовая частота с 66 МГц повысилась до 100 МГц. Вторичный кэш этих процессоров работает на половине частоты ядра .

В 1999 году появились процессоры Pentium III - в них ввели новый блок 128-битных регистров ХММ и новые инструкции, названные SSE. Частота ядра подбирается к 1 ГГц , частота системной шины - 100 и 133 МГц. С конструктивами начались " колебаниягенеральной линии ", и теперь снова предпочтение отдается процессорам со штырьковыми выводами ( необходимость картриджей отпадает ). На базе Pentium II появилось семейство " облегченных " процессоров Celeron, сначала без вторичного кэша, а потом и с интегрированным вторичным кэшем размером 128 Кбайт. Позже процессоры Celeron приобрели и расширение SSE. Для мощных компьютеров имеется семейство процессоров Хеоn, которое охватывает и Pentium II, и Pentium III. Для этих процессоров характерен больший объем вторичного кэша, поддержка более чем двух процессорных конфигураций и более крупный картридж. Есть процессоры Pentium II/III и для мобильных применений.

Конечно же, перечисленными моделями не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, имеющих обобщенное название х86. Ряд фирм ( например, AMD, Cyrix, IBM) выпускает процессоры, совместимые с перечисленными процессорами Intel и имеющие свои характерные особенности. Обычно они слегка отставали от изделий Intel, выпускаемых в то же время . Однако процессор К7 от AMD изменил ситуацию. Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments, IBM) имеет разработки процессоров, существенно отличающиеся от семейства х86; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них присутствуют и гораздо более мощные процессоры, относящиеся как к RISC-, так и к CISC- архитектуре.

Обсудить на форуме

Просмотров: 1696 | Комментариев: 0

Добавить комментарий

Информация
Добавление комментариев разрешено только зарегестрированным пользователям.

Блог: Блог инженера

История развития микропроцессоров

Похожие записи

Комментарии

Добавить комментарий