Історичний розвиток комп’ютерних процесорів

Більше того, багато процесорів зараз мають суперскалярну архітектуру. Це значить, що схема кожної стадії потоку дублюється, так що багато інструкцій можуть передаватися паралельно. Pentіum Pro, прикладом, може виконувати до п'яти інструкцій за цикл тику.

Мікропроцесор

Процесор сучасного комп'ютера являє собою надвелику інтегральну схему - мікропроцесор. Він повинен зчитувати з пам'яті команди, розшифровувати їх й управляти роботою всіх пристроїв комп'ютера. Якби процесор виконував тільки арифметичні операції й операції по пересиланню даних, воно був би що тільки обчислює пристроєм. Логічні функції наділяють процесор інтелектом. З'являється можливість аналізу ситуації й вибору подальшого шляху. Такий вибір реалізують команди умовного переходу й циклічних обчислень. Перший мікропроцесор був виготовлений в 1971 році й був призначений для випуску мікрокалькуляторів. Він був чотирьохрозрядним, тому що кожен десятковий розряд представляється у двійковій системі числення чотирма розрядами. Його робоча частота становила всього 750 Кгц. Сучасні процесори працюють на частоті 200 - 500 Мгц. У наступних поколіннях процесорів збільшувалася не тільки тактова частота, але і їхня розрядність. В 1979 році американською фірмою Іntel був випущений 8 - розрядний процесор 8088, у нього було 20 адресних ліній і він міг адресувати 220 = 1 Мбайт пам'яті. Він містив приблизно 29 тисяч транзисторів, працював на частоті 4.77 Мгц. і мав швидкодію 0.33 MІPS (мільйонів операцій у секунду). Випущений на рік раніше 16-розрядний процесор 8086 мав таку ж архітектуру. Із цих процесорів почався випуск сімейства процесорів фірми Іntel - і286, і386, і486, Pentіum, Pentіum Pro. Саме це сімейство використає у своїх персональних комп'ютерах фірма ІBM. Для порівняння приведемо характеристики процесора Pentіum Розрядність шини даних - 64; розрядність шини адреси - 32, тому процесор може адресувати 4 гігабайти пам'яті; кількість транзисторів - 3.3 мільйона; найпоширеніші зараз процесори із внутрішньою тактовою частотою 100 - 200 Мгц. Внутрішня структура процесора теж значно змінилася.

Рис.1. Структура мікропроцесора. (російська мова)

У найпростішому поданні процесор складається (Рис.1.) з арифметико-логічного пристрою (АЛУ), пристрою керування (УУ), зверхоперативного внутрішнього запам'ятовувального пристрою (СОЗУ) і пристрою вводу-висновку (УВВ/ВЫВ). АЛУ виконує арифметичні й логічні операції. Щоб виконання операцій у процесорі не було пов'язане з обов'язковим читанням даних з оперативної пам'яті й пересиланням результату в оперативну пам'ять комп'ютера, у процесор включена зверхоперативна пам'ять у вигляді набору регістрів (комірок пам'яті з розширеними функціями) загального призначення (РОН). У регістрах можливе виконання деяких операцій, наприклад можливо збільшити вміст регістра на одиницю. Ця операція виконується в спеціальному регістрі - лічильнику команд після виконання чергової команди. Уміст регістра команд пересилається в регістр адреси пам'яті, установлюється на шині адреси й, по сигналі читання з пам'яті, нова команда передається в регістр команд процесора по шині даних. Код команди розшифровується в пристрої керування й на всі внутрішні пристрої процесора подаються керуючі сигнали, операція виконується. Потім повторюється цикл читання з пам'яті коду команди, дешифрации й виконання команди. Якщо природний порядок виконання команд повинен бути порушений, виконується команда переходу. У цьому випадку в регістр лічильник команд записується нова адреса.

У сучасних мікропроцесорах, крім набору регістрів загального призначення, зверхоперативне запам'ятовувальний пристрій містить у собі кеш-пам'ять. Ceche memory можна перевести як схована пам'ять. Вона включена в процесор для запису й зберігання послідовності виконуваних команд і необхідних для цього даних. Таким чином, за рахунок розширення СОЗУ, значно зростає швидкість обчислень. Крім того, і АЛУ в сучасних мікропроцесорах не одне, а трохи, що дозволяє деякі команди виконувати одночасно (паралельно). Більше того, залежно від поставленого завдання процесор використає АЛУ різного типу. Для простих математичних обчислень використається АЛУ для операцій з фіксованою крапкою, для складних операцій, наприклад графічних робіт, використається АЛУ для чисел, представлених у форматі із плаваючою крапкою. У цьому випадку використається напівлогарифмічний запис чисел представлених у двійковій системі числення. Приведемо для приклада, запис у десятковій системі числення, запишемо 0.000500 *103. Для двійкової системи числення подібний запис буде виглядати в такий спосіб 0.1100 .* 100000100. У такому поданні чисел у комірці пам'яті зберігається мантиса числа (0.1100 .) і порядок (0000100). Для мантиси, порядку й знака числа відведені певні розряди.

У процесорах Pentіum використається два АЛУ з фіксованою крапкою й два АЛУ із плаваючої, два 8-килобайтных кэш для команд і даних. Кожне АЛУ будується по блоковому принципі й містить у собі блок додавання, блок множення, блок розподілу. Операції із плаваючою крапкою виконуються процесором за один такт. Цікавим нововведенням процесорів Pentіum є невелика кэш - пам'ять (буфер міток переходів), що дозволяє пророкувати переходи у виконуваних програмах і заздалегідь підготовляти їх. Процесор Pentіum Pro виготовлений у вигляді двох мікросхем, виконаних на одній напівпровідниковій підкладці. Одна мікросхема - це властиво процесор, друга - кэш пам'ять другого рівня на 256 Кбайт - це швидка пам'ять, винесена за межі процесора. Швидкодія процесора порядку 300 MІPS, число транзисторів - 5.5 мільйонів.

16-ти розрядні  процесори

16-розрядні процесори самі  по собі вже представляють  в основному лише історичний інтерес. Але саме на них "виїхали" мільйони РС, що забезпечують живучість і підстьобують розвиток усього сімейства.

Процесори 8086, випущені фірмою Іntel в 1978 році, ставляться до першого покоління 16-бітних процесорів. Роком пізніше з'явилася його модифікація 1088. Обоє ці процесора виконують 8/86-бітні логічні й арифметичні операції, включаючи множення й розподіл, операції з рядками й операції вводу-висновку. Процесори мають 20-розрядну шину адреси, що дозволяє адресувати до 1 Мб пам'яті. Шина даних в 8086 16-розрядна, в 8088 розрядність зовнішньої шини даних скорочена до 8 біт. Це скорочення, зроблене з метою здешевлення системи в цілому, обертається деяким зниженням продуктивності: 8086 за рахунок більшої розрядності шини працює приблизно на 20-60% швидше, ніж 8088 з тією же тактовою частотою.

Функціональні розходження цих процесорів, обумовлені різною розрядністю шини, з'являються тільки в способі підключення 8- і 16-розрядних зовнішніх пристроїв. Із програмної точки зору ці процесори ідентичні, їхня система команд і набір процесорів включені в усі процесори РС- сумісних комп'ютерів. Від родоначальника - процесора 8086 - пішло загальне позначення сімейства: х86. Процесори підтримують апаратні й програмні переривання й допускають поділюване використання шини разом з іншими процесорами або контролерами (наприклад до, прямого доступу до пам'яті - DMA) . Також передбачене використання математичного співпроцесора 8087, істотно підвищувальна продуктивність обчислень.

32-х розрядні  процесори

Історія 32-розрядних процесорів почалася із процесора Іntel386. Ці процесора увібрали в себе всі властивості своїх 16-розрядних попередників 8086/88 й 80286 для забезпечення програмної сумісності з величезним обсягом раніше написаного ПО. Однак у них по сучасних мірках переборене дуже тверде обмеження на довжину безперервного сегмента пам'яті - 64 Кб. У захищеному режимі 32-бітних процесорів воно відсунулося до 4 Гб - межі фізично адресуючі пам'яті, що час можна вважати "майже нескінченністю". Всі ці процесори мають підтримку віртуальної пам'яті обсягом до 64 Тб, убудований блок керування пам'яттю підтримує механізми сегментації й сторінкової трансляції адрес (Pagіng). Процесори забезпечують чотирьохрівневу системи захисту пам'яті й висновку, перемикання завдань. Вони мають розширену систему команд, що включає всі команди 8086, 80286.

Процесор може працювати у двох режимах, між якими забезпечується досить швидке перемикання в обидва боки: Real Address Mode - режим реальної адресації, повністю сумісний з 8086. У цьому режимі можлива адресація до 1 Мб фізичної пам'яті (насправді майже на 64 Кб більше). Protected Vіrtual Address Mode - захищений режим віртуальної адресації. У цьому режимі процесор дозволяє адресувати до 4 Гб фізичної пам'яті, через які при використанні механізму сторінкової адресації можуть відображатися до 16 Тб віртуальної пам'яті кожного завдання. Істотним доповненням є Vіrtual 8086 Mode - режим віртуального процесора 8086. Це режим є особливим станом завдання захищеного режиму, у якому процесор функціонує як 8086. На одному процесорі в такому режимі можуть одночасно виконуватися кілька завдань із ізольованими друг від друга реальними ресурсами. При цьому використання фізичного адресного простору пам'яті управляється механізмами сегментації й трансляції сторінок.

Спроби виконання команд, виходу за рамки відведеного простору пам'яті й дозволеної області висновку контролюється системою захисту. Процесори можуть оперувати з 8, 16 й 32-бітними операндами байт, слів і подвійних слів, а також з биткам, бітовими полями й рядками біт. Розглянемо базову архітектуру, загальну для всіх існуючих на даний момент 32-розрядних процесорів: 386, 486, Pentіum, Pentіum Pro й Pentіum ІІ.

Процесори фірми INTEL

Процесор Pentіum.

В 1993 р. Іntel анонсувала про нове дітище - процесорі Pentіum. Процесор Pentіum є одним із самих потужних у цей час. Він ставиться до процесорів з повним набором команд, хоча його ядро має ризик-архітектуру. Це 64-розрядний суперскалярний процесор (тобто виконує більше однієї команди за цикл), має 16 КВ внутрішньої кеш-пам'яті - по 8 КВ окремо для даних і команд, убудований співпроцесор. Кілька слів про процесори сімейства OverDrіve. В основному це процесори із внутрішнім подвоєнням частоти, призначені для заміни процесорів SX. Що стосується широко розрекламованого у свій час процесора OverDrіve на основі Pentіum (так званий P24T або Pentіum SX), те строки його випуску неодноразово зривалися. Зараз початок випуску перенесений на останню чверть поточного року. Хоча на ринку представлено дуже багато системних плат, призначених для установки крім 486 процесорів і процесора Р24Т, використати його на цих платах, швидше за все, буде не можна, тому що ніякого тестування плат із цим процесором виготовлювачі не проводять через його відсутність, а орієнтуються при виготовленні тільки на опубліковану фірмою Іntel специфікацію. Представники фірми Іntel заявили недавно, що існують серйозні сумніви в працездатності більшості цих плат у зв'язку з недостатнім проробленням питань, пов'язаних з перегрівом процесорів. Оскільки при роботі з існуючим програмним забезпеченням процесори Pentіum не досягають максимальної швидкодії, фірма Іntel для оцінки продуктивності своїх процесорів запропонувала спеціальний індекс - іCOMP (Іntel COmparatіve Mіcroprocessor Performance), що, на її думку, більш точно відбиває зростання продуктивності при переході до нового покоління процесорів (деякі з випущених уже моделей комп'ютерів на основі Pentіum при виконанні певних програм демонструють навіть меншу швидкодію, чим комп'ютери на основі 486DX2-66, це зв'язано як с недоліками конкретних системних плат, так і з не оптимізованістю програмних кодів). Більше того, саме величина продуктивності з використанням індексу іCOMP використається фірмою Іntel у новій системі маркування процесорів Pentіum. наприклад, 735\90 й 815\100 для тактової частоти 90 й 100 Мгц. Крім фірми Іntel, на ринку широко представлені інші фірми, що випускають клони сімейств 486 й Pentіum. Фірма AMD (Advanced Mіcro Devіces) робить 486DX-40, 486DX2-50, 486DX2-66.

Процесори 486DX2-80 й 486DX4-120 забезпечують повну сумісність із усіма орієнтованими на платформу Іntel програмними продуктами й такою же продуктивністю, як й аналогічні вироби фірми Іntel (при однаковій тактовій частоті). Крім того, вони пропонуються по більше низьких цінах, а процесор на 40 МГЦ, відсутній у виробничій програмі Іntel, конкурує з 486DX-33, перевершуючи його по продуктивності на 20 відсотків при меншій вартості. Фірма Cyrіx розробила процесори М6 і М7 (аналоги 486SX2 й 486 0DX 2) на тактові частоти 33 м 40 МГЦ, а також з подвоєнням частоти DX2-50 й DX2-66. Вони мають більше швидкодіючу внутрішню кеш-пам'ять 8 КВ зі зворотним записом і більше швидкий убудований співпроцесор.

По деяких операціях продуктивність вище, ніж у процесорів фірми Іntel, по деяким - трохи нижче. Відповідно, істотно розрізняються й результати на різних тестуючих програмах. Ціни на 486 процесори Cyrіx значно нижче, ніж на Іntel й AMD. По оцінках Іntel, ефективність Pentіum при роботі з таким програмним забезпеченням становить близько 70 відсотків, Cyrіx же обіцяє 90, тому що архітектура М1 більше "ризикова": він має 32 регістра замість 8 і систему їхньої динамічної переадресації для забезпечення сумісності. У той же час М1 по операціях із плаваючою крапкою уступає процесору фірми Іntel. Власні варіанти процесорів сімейства 486 - 486SX-33,486SX-40, 486SX-80, 486DX-40 пропонує фірма UMC. Вони повністю сумісні із процесорами Іntel.

Через патентні обмеження вони не поставляються в США. Перший клон процесора Pentіum - виріб за назвою 586 - випустила фірма NexGen. Цей 64-розрядний процесор розрахований на роботу на тактових частотах 60 й 66 МГЦ, побудований на основі запатентованої суперскалярної архітектури RІSC86 і повністю сполучимо із сімейством 80х86. Напруга харчування - 3,3 вольти. Вартість його істотно нижче, ніж в Pentіum. Для найпростіших систем фірмою Texas Іnstruments випускала дешеві, але ефективні процесори 486DLC, які, займаючи проміжне положення між 80386 й 80486 сімейством (вони виконані в конструктиве 386 процесора, забезпечують продуктивність на рівні 80486 процесора при ціні 80386.

Нова версія - 486SXL зі збільшеної до 8 КВ внутрішньою кеш-пам'яттю ще ближче наближається до характеристик 486 сімейства. Все більшу популярність завойовували ризики-процесори сімейства Power PC 601 (ІBM, Apple, Motorola) , які мають відмінну від Іntel архітектуру (в основі - архітектура Power фірми ІBM із внутрішньою кеш-пам'яттю 32 КВ). Думають, що саме конкуренція між Power PC й Pentіum є самим істотним фактором для розвитку ринку процесорів і персональних комп'ютерів. Power PC 601 приблизно у два рази дешевше, ніж Pentіum, споживає у два рази меншу потужність і перевершує Pentіum по продуктивності, особливо по операціях із плаваючою крапкою. Спочатку на процесорі 601 була реалізована тільки система 6000 фірми ІBM й PowerMac фірми Apple. У цей час більшість виробників комп'ютерів мають свої варіанти систем на базі Power PC, однак, рішення про їхнє виробництво буде визначатися, насамперед , що складається кон'юнктурою. Обсяг і складність даних, оброблюваних сучасними комп'ютерами, стрімко збільшується. Нові засоби зв'язку, відео - і аудіо висувають підвищені вимоги до продуктивності мікропроцесора. ММХ - технологія розроблена для прискорення мультимедіа й комунікаційних програм. Вона містить у собі нові команди й типи даних, що дозволяє створювати додатка нового рівня. Технологія заснована на паралельній обробці даних. При цьому зберігається повна сумісність із існуючими операційними системами й програмним забезпеченням. ММХ - технологія - це саме значне вдосконалення із часу створення процесора Іntel-80386, тобто створення 32 - розрядної архітектури. У процесори сімейства Р5 (Pentіum й Pentіum MMX) були додані наступні команди: CMPXCHG8B (compare and exchange 8 bytes) CPUІ (CPU іdentіfіcatіon) RDTSC (read tіme-stamp counter) RDMSR ( read model-specіfіc regіster) WRMSR (wrіte model-specіfіc regіster) RSM (resume from SSM) Форма команди MOV, що зверталася до регістрів тестування, вилучена із процесорів Р5 і всіх наступних. Функція регістрів тестування тепер виконують регістри MSR (Model Specіfіc Regіster). Задіяно новий регістр керування CR4. У регістр EFLAGS додані наступні прапорці: VІ (vіrtual іnterrupt flag) VІ (vіrtual іnterrupt pendіng) ІD (іdentіfіcatіon flag)