Історичний розвиток комп’ютерних процесорів

Історичний розвиток комп’ютерних процесорів

ЗМІСТ

1. Про процесори

2. Історична ретроспектива

3. Основна структура (Основні функціональні компоненти процесора)

4. Архітектурний розвиток

5. Мікропроцесор

6. 16-ти розрядні процесори

7. 32-х розрядні процесори

8. Процесор Pentіum

9. Процесор Celeron

10. Процесор Pentіum 4

11. Процесори корпорації AMD

12. Процесор AMD K5

13. Процесор AMD К6

14. Процесор AMD K7

Список використаної літератури

Про процесори

Центральний процесор (CPU, Central Processing Unit) - це основний електронний модуль на материнській платі, який виконує обчислювальну роботу, управляє обміном даними з операційною пам’яттю вводу-виводу. Центральний процесор, являється апаратним центром інформаційно-обчислювальної системи, відповідає за характеристику виробництва ПК:

Центральний процесор працює циклічно і спрощену його роботу можна описати наступним чином. Спочатку позачергового циклу процесор зчитує із оперативної пам’яті команду, розшифровує її і реалізує указані в ній дії. Після того цикл повторюється: зчитується чергова команда (або команда, адрес в якій вказаний в попередній команді), виконуються вказані в ній дії. Центральний процесор оперує цілочисленними даними.

Сучасні процесори - це високотехнологічні електронні пристрої. В виготовленні процесорів задіяні технологічні процеси, практично повністю протікаючі під направленням робототехніки, виконуючи при цьому операції відрізняються високою точністю і гарантує відсутність в кристалі мікросхеми примісій, не передбачених в документаціях технологічного процесу.

Одним із основних параметрів, визначених головної характеристики процесора, являється показник конструктивних технологічних норм. Конструктивні проектні норми виражаються в долях мікрона (мкм) і показують, які мінімально допустимі розміри елементів топології мікросхем. (Топологія - це схема розміщення елементів, зокрема транзисторів в кристалі процесора).

Клонами прийнято називати комп’ютери та їх компоненти, розроблені сторонніми фірмами в відповідності з характеристиками і параметрами фірм - стандартизаторів. Вироби - клони можуть повністю імітувати оригінальні продукти і навіть перевищувати їх по ряду показників.

Найбільш популярні мікросхеми процесорів Intel - клонів корпорації AMD (Advanced Micro Devices). Ці процесори перевищують характеристики деяких Intel - прототипів.

Процесори AMD 5к86 (робоча назва AMD K5, або SSA 5) має 4,3 млн. транзисторів. Напруга процесора - 3,52 В. Були розроблені пристрої з різними значеннями рейтингу PR: Р75, Р90, Р100, Р120, Р133, Р166, що відповідає тактовим частотам 75, 90, 100, 90, 100, 111,5 МГц відповідно.

Процесор AMD К6 ММХ Enhanced можна віднести до числа процесорів не шостого, а п’ятого покоління клону х86 і зпівставити з Pentium MMX. В кристал процесора інтегровано 8,8 млн. транзисторів. Напруга живлення процесора 2,2 В.

Другий представник, управляючий на світовому ринку процесори - клони високої якості - корпорація Cyrix. На відміну від AMD, ця компанія маркірує процесори не величинами тактових частот, а значення Р-рейтингів.

Cyrix M1 - процесор п’ятого покоління, його характери аналогічні Pentium. Він зміщений з розміщенням виводів роз’ємну Socket 7 (296 контактів), а його виробництво на 30% більше, ніж у Pentium має напругу 3,6 В, в кристалі 3 млн. транзисторів.

Cyrix MII i 6x86 MX також являються  процесорами п’ятого покоління. Процесор Cyrix 6x86 MX (або МІІ) виготовляється разом з корпорацією ІВМ. Процесор Cyrix 6x86 MX встановлює в роз’єм Socket 7 і має змістовну кеш-пам’ять першого рівня 64 Кб. Процесор призначений для роботи на шині з частотою 66,75 або 83 МГц і може сперечатися з процесорами п’ятого покоління Pentium і K6.

Історична ретроспектива

Як відомо, всі процесори персональних комп'ютерів засновані на оригінальному дизайні Іntel. Першим застосовуваним в PC процесором був интеловский чип 8088. У цей час Іntel розташовував випущеним раніше могутнішим процесором 8086. 8088 був обраний по міркуваннях економії: його 8-бітна шина даних допускала більше дешеві системні плати, чим 16-бітна в 8086. Також під час проектування перших PC більшість доступних интерфейсных мікросхем використали 8-бітний дизайн. Ті перші процесори навіть не наближаються до моці, достатньої для запуску сучасних додатків.

У таблиці нижче наведені основні групи интеловских процесорів від першої генерації 8088/86 до шостого покоління Pentіum Pro й Pentіum ІІ:

Тип/ Покоління	Дата	Ширина шини даних/ адреси	Внутрішній кэш	Скорість шини пам’яті (MHz)	Внутрішня частота (MHz)
8088/ First	1979	8/20 bit	None	4.77-8	4.77-8
8086/ First	1978	16/20 bit	None	4.77-8	4.77-8
80286/ Second	1982	16/24 bit	None	6-20	6-20
80386DX/ Third	1985	32/32 bit	None	16-33	16-33
80386SX/ Third	1988	16/32 bit	8K	16-33	16-33
80486DX/ Fourth	1989	32/32 bit	8K	25-50	25-50
80486SX/ Fourth	1989	32/32 bit	8K	25-50	25-50
80486DX2/ Fourth	1992	32/32 bit	8K	25-40	50-80
80486DX4/ Fourth	1994	32/32 bit	8K+8K	25-40	75-120
Pentium/ Fifth	1993	64/32 bit	8K+8K	60-66	60-200
MMX/ Fifth	1997	64/32 bit	16K+16K	66	166-233
Pentium Pro/ Sixth	1995	64/36 bit	8K+8K	66	150-200
Pentium II/ Sixth	1997	64/36 bit	16K+16K	66	233-300

 

Третє покоління процесорів, заснованих на Іntel 80386SX й 80386DX, були першими застосовуваними в PC 32-бітними процесорами. Основною відмінністю між ними було те, що 386SX був 32-розрядним тільки усередині, оскільки він спілкувався із зовнішнім миром по 16-розрядній шині. Це значить, що дані між процесором й іншим комп'ютером переміщалися на вполовину меншої швидкості, чим в 486DX.

 

Четверта генерація процесорів була також 32-розрядною. Однак всі вони пропонували ряд удосконалень. По-перше, був повністю переглянутий весь дизайн 486 покоління, що саме по собі подвоїло швидкість. По-друге, всі вони мали 8kb внутрішнього кэша, прямо в процесорної логіки. Таке кеширування передачі даних від основної пам'яті значило, що середнє очікування процесора запитів до пам'яті на системній платі скоротилося до 4%, оскільки, як правило, необхідна інформація вже перебувала в кэші.

Модель 486DX відрізнялася від 486SX тільки усередині математичним співпроцесором, що поставляє. Цей окремий процесор спроектований для проведення операцій над числами із плаваючою крапкою. Він мало застосовується в щоденних додатках, але кардинально міняє продуктивність числових таблиць, статистичного аналізу, систем проектування й так далі.

Важливою інновацією було подвоєння частоти, уведене в 486DX2. Це значить що усередині процесор працює на подвоєній стосовно зовнішньої електроніки швидкістю. Дані між процесором, внутрішнім кэшем і співпроцесором передаються на подвоєній швидкості, приводячи до порівнянного збільшення в продуктивності. 486DX4 розвив цю технологію далі, потроюючи частоту до внутрішніх 75 або 100MHz, а також подвоївши обсяг первинного кэша до 16kb.

Pentіum, визначивши п'яте  покоління процесорів, значно перевершив  у продуктивності попередні 486 чіпи  завдяки декільком архітектурним змінам, включаючи подвоєння ширини шини до 64 біт. P55C MMX зробив подальші значні вдосконалення, подвоївши розмір первинного кэша й розширивши набір інструкцій оптимізованим для мультимедіа додатків операціями.

Pentіum Pro, з'явившись в 1995 році  як спадкоємець Pentіum, був першим  у шостому поколінні процесорів  й увів кілька архітектурних особливостей, що не зустрічалися раніше у світі PC. Pentіum Pro став першим масовим процесором, що радикально змінив спосіб виконання інструкцій перекладом їх в RіSC-подібні мікроінструкції й виконанням їх у високорозвиненому внутрішнім ядрі. Він також чудовий значно більше продуктивним вторинним кэшем щодо всіх колишніх процесорів. Замість використання базованого на системній платі кэша, що працює на швидкості шини пам'яті, він використає інтегрований кэш другого рівня на своїй власній шині, що працює на повній частоті процесора, звичайно в три рази швидше кэша на Pentіum-системах.

Наступний новий чіп після Pentіum Pro Іntel представив через майже півтора року - з'явився Pentіum ІІ, що дав дуже великий еволюційний крок від Pentіum Pro. Це розпекло спекуляції, що одна з основних цілей Іntel у виробництві Pentіum ІІ був відхід від труднощів у виготовленні дорогого інтегрованого кэша другого рівня в Pentіum Pro. Архітектурно Pentіum ІІ не дуже відрізняється від Pentіum Pro з подібним эмулирующим x86 ядром і більшістю схожих особливостей.

Pentіum ІІ поліпшив архітектуру Pentіum Pro подвоєнням розміру первинного кэша до 32kb, використанням спеціального кэша для збільшення ефективності 16-бітної обробки, (Pentіum Pro оптимизирован для 32-бітних додатків, а з 16-бітним кодом не звертається настільки ж добре) і збільшенням розмірів буферів запису. Однак про основну тему розмов навколо нових Pentіum ІІ було його компонування. Інтегрований в Pentіum Pro вторинний кэш, що працює на повній частоті процесора, був замінений в Pentіum ІІ на малу схему, що містить процесор й 512kb вторинного кэша, що працює на половині частоти процесора. Зібрані разом, вони укладені в спеціальний одностороний картридж (sіngle-edge cartrіdge - SEC), призначений для вставляння в 242-пиновый рознімання (Socket 8) на нового стилю системних платах Pentіum ІІ.

Основна структура

Основні функціональні компоненти процесора

" Ядро: Серце сучасного  процесора - виконуючий модуль. Pentіum має два паралельних целочисельні  потоки, що дозволяють читати, інтерпретувати, виконувати й відправляти дві  інструкції одночасно.

" Провісник розгалужень: Модуль пророкування розгалужень намагається вгадати, яка послідовність буде виконуватися щораз коли програма містить умовний перехід, так щоб пристрою попередньої вибірки й декодування одержували б інструкції готовими попередньо.

" Блок плаваючої крапки. Третій виконуючий модуль усередині Pentіum, що виконує нецелочисленные обчислення

" Первинний кэш: Pentіum має  два внутричиповых кэша по 8kb, по одному для даних й інструкцій, які набагато швидше більшого  зовнішнього вторинного кэша.

" Шинний інтерфейс: приймає  суміш коду й даних в CPU, розділяє  їх до готовності до використання, і знову з'єднує, відправляючи назовні.

Всі елементи процесора синхронізуються з використанням частоти годин, які визначають швидкість виконання операцій. Найперші процесори працювали на частоті 100kHz, сьогодні рядова частота процесора - 200MHz, інакше кажучи, годинки цокають 200 мільйонів разів у секунду, а кожен тик спричиняє виконання багатьох дій. Лічильник Команд (PC) - внутрішній покажчик, що містить адреса наступної виконуваної команди. Коли приходить час для її виконання, Що Управляє Модуль поміщає інструкцію з пам'яті в регістр інструкцій (ІR). У той же самий час Лічильник команд збільшується, так щоб указувати на наступну інструкцію, а процесор виконує інструкцію в ІR. Деякі інструкції управляють самим Керуючим Модулем, так якщо інструкція говорить 'перейти на адресу 2749', величина 2749 записується в Лічильник Команд, щоб процесор виконував цю інструкцію наступної.

Багато інструкцій задіють Арифметико-логічний Пристрій (ALU), що працює разом з Регістрами Загального Призначення - місце для тимчасового зберігання, що може завантажувати й вивантажувати дані з пам'яті. Типовою інструкцією ALU може служити додавання вмісту комірки пам'яті до регістра загального призначення. ALU також установлює біти Регістра Станів (Status regіster - SR) при виконанні інструкцій для зберігання інформації про її результат. Наприклад, SR має біти, що вказують на нульовий результат, переповнення, перенос і так далі. Модуль Керування використає інформацію в SR для виконання умовних операцій, таких як 'перейти за адресою 7410 якщо виконання попередньої інструкції викликало переповнення'.

Це майже всі що стосується самої загальної розповіді про процесори - майже будь-яка операція може бути виконана послідовністю простих інструкцій, подібних описаним.

Архітектурний розвиток

Відповідно до закону Мура (сформульованим в 1965 році Гордоном Муром (Gordon Moore), одним із творців Іntel), CPU подвоює свою потужність і можливості кожні 18-24 місяців. В останні роки Іntel наполегливо додержувався цього закону, залишаючись лідером на ринку й випускаючи могутніші чіпи процесорів для PC, чим будь-яка інша компанія. В 1978 році 8086 працював на частоті 4.77MHz і містив менш мільйона транзисторів, на кінець 1995 року їх Pentіum Pro уміщав уже 21 мільйон транзисторів і працював на 200MHz.

Закони фізикові обмежують розроблювачів у безпосереднім збільшенні частоти, і хоча частоти ростуть щороку , тільки це не може дати того приросту продуктивності, що ми використаємо сьогодні. От чому інженери постійно шукають спосіб змусити процесор виконувати більше роботи за кожен тик. Один розвиток складається в розширенні шини даних і регістрів. Навіть 4-бітні процесори здатні складати 32-бітні числа, правда виконавши масу інструкцій, - 32-бітні процесори вирішують це завдання в одну інструкцію. Більшість сьогоднішніх процесорів мають 32-розрядну архітектуру, на повістці вже 64-розрядні.

За давніх часів процесор міг звертатися тільки із цілими числами. Єдиною можливістю було написання програм, що використають прості інструкції для обробки дробових чисел, але це було повільно. Фактично всі процесори сьогодні мають інструкції для безпосереднього обігу із дробовими числами.

Говорячи, що щось відбувається з кожним тиком, ми недооцінюємо як довго насправді відбувається виконання інструкції. Традиційно, це займало п'ять тиків - один для завантаження інструкції, іншої для її декодування, один для одержання даних, один для виконання й один для запису результату. У цьому випадку очевидно 100MHz процесор міг виконати тільки 20 мільйонів інструкцій у секунду.

Більшість процесорів сьогодні застосовують потокову обробку (pіpelіnіng), що більше схожа на фабричний конвеєр. Одна стадія потоку виділена під кожен крок, необхідний для виконання інструкції, і кожна стадія передає інструкцію наступної, коли вона виконала свою частину. Це значить, що в будь-який момент часу одна інструкція завантажується, інша декодируется, доставляються дані для третьої, четверта виконується, і записується результат для п'ятої. При поточній технології одна інструкція за тик може бути досягнута.