50182 (Работа и устройство процессоров)

Проектная работа

на тему:

Работа и устройство процессоров

Что такое процессор. Производители

"Мозгом" персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процессор — CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых в компьютерах, имеющих сопроцессор) и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компьютера. Во всех PC-совместимых компьютерах используются процессоры, совместимые с семейством микросхем Intel, но выпускаются и проектируются они как самой Intel, так и компаниями AMD, Cyrix, IDT и Rise Technologies.В настоящее время Intel доминирует на рынке процессоров, но так было далеко не всегда. Компания Intel прочно ассоциируется с изобретением первого процессора и его появлением на рынке. Но, несмотря на это, два наиболее известных в конце 1970-х годов процессора, используемых в ПК, не принадлежали Intel (один из них, правда, являлся прямым аналогом процессора Intel). В персональных компьютерах того времени чаще всего использовались процессоры Z-80 компании Zilog и 6502 компании MOS Technologies. Процессор Z-80 представлял собой улучшенный и более дешевый аналог процессора 8080. Сегодня подобная ситуация произошла с многочисленными клонами процессоров Intel Pentium, созданными компаниями AMD, Cyrix (теперь VIA), IDT и Rise Technologies. Более того, в некоторых случаях аналог приобретал большую популярность, чем оригинал. Компания AMD в течение прошлого года заняла значительную часть рынка и в результате получила большую прибыль. Но, несмотря на это, многие утверждают, что Intel все еще играет главенствующую роль на рынке процессоров ПК.

История развития процессоров до появления первого PC

Обратите внимание, что первый процессор был выпущен за 10 лет до появления первого компьютера IBM PC. Он был разработан компанией Intel, назван Intel 4004, а его выпуск состоялся 15 ноября 1971 года. Рабочая частота этого процессора составляла всего 108 кГц (0,108 МГц!). Этот процессор содержал 2 300 транзисторов и производился по 10-микронной технологии. Шина данных имела ширину 4 разряда и позволяла адресовать 640 байт памяти. Процессор 4004 использовался в схемах управления светофоров, анализаторах крови и даже на межпланетной научно-исследовательской станции NASA Pioneer 10!15 ноября 2001 года исполнилось 30 лет со дня появления первого микропроцессора. За эти годы быстродействие процессора увеличилось более чем в 18 500 раз (с 0,108 МГцдо 2 ГГц).В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3 500 транзисторов и производился все по той же 10-микронной технологии. Шина данных была 8-разрядной и позволяла адресовать 16 Кбайт памяти. Этот процессор предназначался для использования в терминалах и программируемых калькуляторах. Следующая модель процессора, 8080, была анонсирована в апреле 1974 года. Этот процессор содержал 6 000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нем был собран первый персональный компьютер (не PC) Altair 8800. В этом компьютере использовалась операционная система CP/M, а Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ. Со временем процессор 8080 стал настолько известен, что его начали копировать. В конце 1975 года несколько бывших инженеров Intel, занимавшихся разработкой процессора 8080, создали компанию Zilog. В июле 1976 года эта компания выпустила процессор Z-80, который представлял собой значительно улучшенную версию 8080. Этот процессор был не совместим с 8080 по контактным выводам, но сочетал в себе множество различных функций, например интерфейс памяти и схему обновления ОЗУ (RAM), что давало возможность разработать более дешевые и простые компьютеры. В Z-80 был также включен расширенный набор команд процессора 8080, позволяющий использовать его программное обеспечение. В этот процессор вошли новые команды и внутренние регистры, поэтому программное обеспечение, разработанное для Z-80, могло использоваться практически со всеми версиями 8080. Первоначально процессор Z-80 работал на частоте 2,5 МГц (более поздние версии работали уже на частоте 10 МГц), содержал 8,5 тыс. транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти. Компания Radio Shack выбрала процессор Z-80 для своего первого персонального компьютера TRS-80 Model 1. Следует заметить, что Z-80 стал первым процессором, используемым во многих новаторских системах, к числу которых относятся также системы Osborne и Kaypro. Этому примеру последовали другие компании, и вскоре Z-80 стал стандартным процессором для систем, работающих с операционной системой CP/M и наиболее распространенным программным обеспечением того времени. Intel не остановилась на достигнутом и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6 500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3-микронной технологии. В этом же году компания MOS Technologies выпустила процессор 6502, который был абсолютно непохож на процессоры Intel. Он был разработан группой инженеров компании Motorola. Эта же группа работала над созданием процессора 6800, который в будущем трансформировался в семейство процессоров 68000. Цена первой версии процессора 8080 достигала 300 долларов, в то время как 8-разрядный процессор 6502 стоил всего около 25 долларов. Такая цена была более приемлема для Стива Возняка (Steve Wozniak), который встроил этот процессор в новые модели Apple I и Apple II. Процессор 6502 использовался также в системах, созданных компанией Commodore и другими производителями. Этот процессор и его преемники с успехом работали в игровых компьютерных системах, в число которых вошла приставка Nintendo Entertainment System (NES). Компания Motorola продолжила работу над созданием серии процессоров 68000, которые впоследствии были использованы в компьютерах Apple Macintosh. В настоящее время в этих системах применяется процессор PowerPC, являющийся преемником 68000.

В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86. Этот же набор команд до сих пор поддерживается в процессорах Pentium III. Процессор 8086 был полностью 16-разрядным — внутренние регистры и шина данных. Он содержал 29 000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20-разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти. При создании процессора 8086, обратная совместимость с 8080 не предусматривалась. Но, в то же время значительное сходство их команд и языка позволили использовать более ранние версии программного обеспечения. Это свойство впоследствии сыграло важную роль в развитии программного обеспечения ПК, включая операционную систему CP/M (8080).Несмотря на высокую эффективность процессора 8086, его цена была все же слишком высока по меркам того времени и, что еще важнее, для его работы требовалась дорогая микросхема поддержки 16-разрядной шины данных. Чтобы уменьшить себестоимость процессора, в 1979 году компания Intel выпустила упрощенную версию 8086, которая получила название 8088. Процессор 8088 использовал те же внутреннее ядро и 16-разрядные регистры, что и 8086, мог адресовать 1 Мбайт памяти, но, в отличие от предыдущей версии, использовал внешнюю 8-разрядную шину данных. Это позволило обеспечить обратную совместимость с ранее разработанным 8-разрядным процессором 8085 и, таким образом, значительно снизить стоимость создаваемых системных плат и компьютеров. Именно поэтому IBM выбрала для своего первого ПК "урезанный" процессор 8088.Это решение имело далеко идущие последствия для всей компьютерной индустрии. Процессор 8088 был полностью программно-совместимым с 8086, что позволяло использовать 16-разрядное программное обеспечение. В процессорах 8085 и 8080 использовался очень похожий набор команд, поэтому программы, написанные для процессоров предыдущих версий, можно было достаточно легко преобразовать для процессора 8088. Это, в свою очередь, позволяло разрабатывать разнообразные программы для персонального компьютера IBM, что явилось залогом его будущего успеха. Не желая останавливаться на полпути, Intel была вынуждена обеспечить поддержку обратной совместимости 8088/8086 с большей частью процессоров, выпущенных в то время. В те годы еще поддерживалась обратная совместимость процессоров, что ничуть не мешало вводить различные новшества или дополнительные возможности. Одним из основных изменений стал переход от 16-разрядной внутренней архитектуры процессора 286 и более ранних версий к 32-разрядной внутренней архитектуре 386-го и последующих процессоров, относящихся к категории IA-32 (32-разрядная архитектура Intel). Однако до появления серийно выпускаемого программного обеспечения, поддерживающего 32-разрядные команды, оставалось еще более 10 лет. Например, в 1985 году с появлением процессора 386DX была представлена новая 32-разрядная архитектура, но только в 1995 году была выпущена Windows 95, ставшая первой широко распространенной операционной системой, поддерживающей архитектуру IA-32. Введение новой архитектуры не повлияло на обратную совместимость процессоров, так как практически все микросхемы IA-32 выполняли и 16-разрядные команды. Не так давно компания Intel выпустила процессор Itanium, представив тем самым новую 64-разрядную архитектуру Intel (IA-64). В течение ближайших нескольких лет эта архитектура будет использоваться в серверных (т. е. в более мощных и дорогих) микросхемах. Поддержка обратной совместимости процессоров IA-32, как вы знаете, выражается в возможности выполнения 16-разрядных команд. Микросхемы IA-64, в свою очередь, могут выполнять не только 32-разрядные (IA-32), но и 16-разрядные (IA-16) команды. В компании AMD была разработана конкурентоспособная, но несколько отличная 64-разрядная архитектура, получившая название x86-64; она будет использоваться в микросхемах с кодовым именем Hammer. Ее основным отличием является то, что архитектура AMD x86-64 более близка к существующей IA-32, чем новая 64-разрядная архитектура IA-64. Предполагается, что микросхемы x86-64 будут выполнять существующий 32-разрядный код быстрее, чем процессоры, созданные на основе IA-64. К сожалению, процессоры x86-64 не позволяют выполнять программный код, разработанный непосредственно для IA-64, что связано с коренными отличиями наборов команд и архитектуры. Процессор Itanium (IA-64) был выпущен в марте 2001 года и уже завоевал солидную репутацию на рынке серверов и рабочих станций. Растущая популярность IBM PC и архитектуры Intel, в некотором роде, ограничила развитие персонального компьютера. Тем не менее, успех IBM PC привел к разработке большого количества программ, периферийных устройств и аксессуаров, в результате чего PC стал промышленным стандартом. Процессор 8088, который использовался в первом PC, содержал около 30 тыс. транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Одна из последних версий процессора Pentium III Xeon имеет кэш-память второго уровня объемом 2 Мбайт и содержит 140 млн. транзисторов — самый большой показатель за всю историю полупроводниковых устройств. На данный момент Intel выпустила процессоры, работающие на частоте свыше 3 ГГц, и следует заметить, что компания AMD практически не отстает от лидера. Все это является практическим подтверждением закона Мура, в соответствии с которым быстродействие процессоров и количество содержащихся в них транзисторов удваивается каждые 1,5-2 года.

Параметры процессоров

При описании параметров и устройства процессоров часто возникает путаница. Рассмотрим некоторые характеристики процессоров, в том числе разрядность шины данных и шины адреса, а также быстродействие. Процессоры можно классифицировать по двум основным параметрам: разрядности и быстродействию. Быстродействие процессора — довольно простой параметр. Оно измеряется в мегагерцах (МГц); 1 МГц равен миллиону тактов в секунду. Чем выше быстродействие, тем лучше (тем быстрее процессор). Разрядность процессора — параметр более сложный. В процессор входит три важных устройства, основной характеристикой которых является разрядность:

- шина ввода и вывода данных; внутренние регистры;

-шина адреса памяти.

Шина данных

Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную как набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает. Разрядность шины данных подобна количеству полос движения на скоростной автомагистрали; точно так же, как увеличение количества полос позволяет увеличить поток машин по трассе, увеличение разрядности позволяет повысить производительность. Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сигнал напряжения высокого уровня (около 5 В), а для передачи нулевого бита данных — сигнал напряжения низкого уровня (около 0 В). Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время. Современные процессоры типа Pentium имеют 64-разрядные внешние шины данных. Это означает, что процессоры Pentium, включая Pentium 4, Athlon и даже Itanium, могут передавать в системную память (или получать из нее) одновременно 64 бит данных. Представим себе, что шина — это автомагистраль с движущимися по ней автомобилями. Если автомагистраль имеет всего по одной полосе движения в каждую сторону, то по ней в одном направлении в определенный момент времени может проехать только одна машина. Если вы хотите увеличить пропускную способность дороги, например, вдвое, вам придется ее расширить, добавив еще по одной полосе движения в каждом направлении. Таким образом, 8-разрядную микросхему можно представить в виде однополосной автомагистрали, поскольку в каждый момент времени по ней проходит только один байт данных (один байт равен восьми битам). Аналогично, 32-разрядная шина данных может передавать одновременно четыре байта информации, а 64-разрядная подобна скоростной автостраде с восемью полосами движения. Разрядность шины данных процессора определяет также разрядность банка памяти. Это означает, что 32-разрядный процессор, например класса 486, считывает из памяти или записывает в память 32 бита одновременно.