История процессоров Intel | Первенец – Intel 4004

Свой первый микропроцессор Intel продала в 1971 году. Это был 4-битный чип с кодовым названием 4004. Он предназначался для совместной работы с тремя другими микрочипами, ПЗУ 4001, ОЗУ 4002 и сдвиговым регистром 4003. 4004 выполнял непосредственно вычисления, а остальные компоненты имели критическое значение для работы процессора. Чипы 4004 главным образом использовались в калькуляторах и прочих подобных устройствах, и не предназначались для компьютеров. Его максимальная тактовая частота составляла 740 кГц.

За 4004 последовал похожий процессор под названием 4040, который, по сути, представлял улучшенную версию 4004 с расширенной системой команд и более высокой производительностью.

История процессоров Intel | 8008 и 8080

С помощью 4004 Intel заявила о себе на рынке микропроцессоров, и чтобы извлечь выгоду из ситуации представила новую серию 8-битных процессоров. Чипы 8008 появились в 1972 году, затем в 1974 году появились процессоры 8080, а в 1975 году – чипы 8085. Хотя 8008 является первым 8-битным микропроцессоров Intel, он был не так известен, как его предшественник или преемник – модель 8080. Благодаря возможности обрабатывать данные 8-битными блоками 8008 был быстрее, чем 4004, но имел довольно скромную тактовую частоту 200-800 кГц и не особо привлекал внимание проектировщиков систем. 8008 производился по 10-микрометровой технологии.

Intel 8080 оказался намного более успешным. Архитектурный дизайн чипов 8008 был изменен ввиду добавления новых инструкций и перехода к 6-микрометровым транзисторам. Это позволило Intel более чем вдвое повысить тактовые частоты, и самые быстрые процессоры 8080 в 1974 году работали при частоте 2 МГц. ЦП 8080 использовались в бесчисленном множестве устройств, в связи с чем несколько разработчиков программного обеспечения, например, недавно сформированная Microsoft, сосредоточились на программном обеспечении для процессоров Intel.

В конечном счете, появившиеся позже микрочипы 8086 имели общую архитектуру с 8080, чтобы сохранить обратную совместимость с ПО, написанным для них. В результате ключевые аппаратные блоки процессоров 8080 присутствовали во всех когда-либо произведенных процессорах на базе x86. Программное обеспечение для 8080 технически также может работать на любом процессоре с архитектурой x86.

Процессоры 8085, по сути, представляли удешевленный вариант 8080 с повышенной тактовой частой. Они были очень успешны, хотя оставили меньший след в истории.

История процессоров Intel | 8086: начало эры x86

Первым 16-битным процессором Intel был 8086. Он имел существенно большую производительность по сравнению с 8080. Кроме повышенной тактовой частоты процессор обладал 16-разрядной шиной данных и аппаратными исполнительными блоками, позволяющими 8086 одновременно выполнять две восьмибитные инструкции. Кроме того процессор мог выполнять более сложные 16-битные операции, но основная масса программ того времени была разработана для 8-битных процессоров, поэтому поддержка 16-битных операций была не так актуальна, как многозадачность процессора. Разрядность адресной шины была расширена до 20-бит, что дало процессору 8086 доступ к 1 Мбайт памяти и увеличило производительность.

8086 также стал первым процессором на архитектуре x86. Он использовал первую версию набора команд x86, на которой базируются почти все процессоры AMD и Intel с момента появления этого чипа.

Примерно в то же время Intel выпускала чип 8088. Он был построен на базе 8086, но у него была отключена половина адресной шины, и он ограничивался исполнением 8-битных операций. Тем не менее, он имел доступ к 1 Мбайт ОЗУ и работал при более высоких частотах, поэтому был быстрее предыдущих 8-битных процессоров Intel.

История процессоров Intel | 80186 и 80188

После 8086 Intel представила несколько других процессоров, все они использовали схожую 16-битную архитектуру. Первым был чип 80186. Он разрабатывался с целью упрощения проектирования готовых систем. Intel переместила некоторые аппаратные элементы, которые обычно располагались на системной плате, в ЦП, включая генератор тактовых импульсов, контроллер прерываний и таймер. Благодаря интеграции этих компонентов в ЦП 80186 стал во много раз быстрее, чем 8086. Intel также увеличила тактовую частоту чипа, чтобы еще больше повысить производительность.

Процессор 80188 также имел ряд аппаратных компонентов, интегрированных в чип, но обходился 8-битной шиной данных, как 8088, и предлагался в качестве бюджетного решения.

История процессоров Intel | 80286: больше памяти, больше производительности

После выхода 80186 в том же году появился 80286. Он имел почти идентичные характеристики, за исключением расширенной до 24-бит адресной шины, которая, в так называемом защищенном режиме работы процессора, позволяла ему работать с оперативной памятью объемом до 16 Мбайт.

История процессоров Intel | iAPX 432

iAPX 432 был ранней попыткой Intel уйти от архитектуры x86 в совершенно другую сторону. По расчетам Intel iAPX 432 должен быть в несколько раз быстрее, чем другие решения компании. Но, в конечном счете, процессор потерпел неудачу из-за существенных просчетов в архитектуре. Хотя процессоры x86 считались относительно сложными, iAPx 432 поднял сложность CISC на совершенно новый уровень. Конфигурация процессора была довольно громоздкой, что вынудило Intel выпускать ЦП на двух отдельных кристаллах. Процессор также был рассчитан на высокие нагрузки и не мог хорошо работать в условиях недостатка пропускной способности шин или поступления данных. iAPX 432 смог обогнать 8080 и 8086, но его быстро затмили более новые процессоры на архитектуре x86, и в итоге от него отказались.

История процессоров Intel | i960: первый RISC-процессор Intel

В 1984 Intel создала свой первый RISC-процессор. Он не являлся прямым конкурентом процессорам на базе x86, поскольку предназначался для безопасных встраиваемых решений. В этих чипах использовалась 32-битная суперскалярная архитектура, в которой применялись концепция дизайна Berkeley RISC. Первые процессоры i960 имели относительно низкие тактовые частоты (младшая модель работала на 10 МГц), но со временем архитектура была улучшена и переведена на более тонкие техпроцессы, что позволило поднять частоту до 100 МГц. Также они поддерживали 4 Гбайт защищенной памяти.

i960 широко использовался в военных системах а также в корпоративном сегменте.

История процессоров Intel | 80386: переход x86 на 32-бита

Первым 32-битным процессором на архитектуре x86 от Intel стал 80386, который появился в 1985 году. Его ключевым преимуществом являлась 32-битная адресная шина, которая позволяла адресовать до 4 Гбайт системной памяти. Хотя в те времени столько памяти практически никто не использовал, ограничения ОЗУ часто вредили производительности предшествующих процессоров x86 и конкурирующих ЦП. В отличие от современных ЦП, на момент появления 80386 увеличение объема ОЗУ почти всегда означало увеличение производительности. Также Intel реализовала ряд архитектурных усовершенствований, которые помогали повысить производительность выше уровня 80286, даже когда обе системы использовали одинаковый объем ОЗУ.

Чтобы добавить в продуктовую линейку более доступные модели, Intel представила 80386SX. Этот процессор был практически идентичен 32-битному 80386, но ограничивался 16-битной шиной данных и поддерживал работу с ОЗУ объемом лишь до 16 Мбайт.

История процессоров Intel | i860

В 1989 году Intel предприняла еще одну попытку уйти от процессоров x86. Она создала новый ЦП с архитектурой RISC под названием i860. В отличие от i960 этот ЦП разрабатывался как модель с высокой производительностью для рынка настольных ПК, но процессорный дизайн имел некоторые недостатки. Главный из них заключался в том, что для достижения высокой производительности процессор полностью полагался на программные компиляторы, которые должны были размещать инструкции в порядке их выполнения в момент создания исполняемого файла. Это помогло Intel сохранить размер кристалла и уменьшить сложность чипа i860, но при компиляции программ было практически невозможно корректно расположить каждую инструкцию с начала и до конца. Это вынуждало ЦП тратить больше времени на обработку данных, что резко снижало его производительность.

История процессоров Intel | 80486: интеграция FPU

Процессор 80486 стал следующим большим шагом Intel с точки зрения производительности. Ключом к успеху являлась более плотная интеграция компонентов в ЦП. 80486 был первым процессором x86 с кэшем L1 (первого уровня). Первые образцы 80486 имели на кристалле 8 Кбайт кэш-памяти и изготавливались с применением техпроцесса 1000 нм. Но с переходом на 600 нм объем кэша L1 увеличился до 16 Кбайт.

Intel также включила в ЦП блок FPU, который до этого являлся отдельным функциональным блоком обработки данных. Переместив эти компоненты в центральный процессор, Intel заметно снизила задержку между ними. Чтобы увеличить пропускную способность процессоры 80486 также использовали более быстрый интерфейс FSB. Для повышения скорости обработки внешних данных было произведено множество усовершенствований в ядре и других компонентах. Эти изменения значительно подняли производительность процессоров 80486, которые в разы обгоняли старые 80386.

Первые процессоры 80486 достигали частоты 50 МГц, а более поздние модели, произведенные по техпроцессу 600 нм, могли работать на частоте до 100 МГц. Для покупателей с меньшим бюджетом Intel выпускала версию 80486SX, в которой был заблокирован блок FPU.

История процессоров Intel | P5: первый процессор Pentium

Pentium появился в 1993 году и был первым процессором x86 Intel, который не следовал системе нумерации 80x86. Pentium использовал архитектуру P5 – первую суперскалярную микроархитектуру x86 Intel. Хотя Pentium в целом был быстрее 80486, его главной особенностью был существенно улучшенный блок FPU. FPU оригинального Pentium был более чем в десять раз быстрее старого блока в 80486. Значение этого усовершенствования лишь усилилось, когда Intel выпустила Pentium MMX. В плане микроархитектуры этот процессор идентичен первому Pentium, но он поддерживал набор команд Intel MMX SIMD, который мог значительно повышать скорость отдельных операций.

По сравнению с 80486 Intel увеличила в новых процессорах Pentium объема кэша L1. Первые модели Pentium имели 16 Кбайт кэша первого уровня, а Pentium MMX получил уже 32 Кбайт. Естественно, эти чипы работали при более высоких тактовых частотах. Первые процессоры Pentium использовали транзисторы с техпроцессом 800 нм и достигали только 60 МГц, но последующие версии, созданные с использованием производственного процесса Intel 250 нм, достигали уже 300 МГц (ядро Tillamook).

История процессоров Intel | P6: Pentium Pro

Вскоре после первого Pentium Intel планировала выпустить Pentium Pro, основанный на архитектуре P6, но столкнулась с техническими трудностями. Pentium Pro выполнял 32-битные операции значительно быстрее оригинального Pentium благодаря внеочередному исполнению команд. Эти процессоры имели сильно переработанную внутреннюю архитектуру, которая декодировала инструкции в микрооперации, которые выполнялись на модулях общего назначения. В связи с дополнительными аппаратными средствами декодирования Pentium Pro также использовал значительно расширенный 14-уровневый конвейер.

Поскольку первые процессоры Pentium Pro были предназначены для рынка серверов, Intel снова расширила адресную шину до 36-бит и добавила технологию PAE, позволяющую адресовать до 64 Гбайт ОЗУ. Это гораздо больше, чем было нужно среднему пользователю, но возможность поддержки большого объема ОЗУ была крайне важна для заказчиков серверов.

Также была переработана система кэш-памяти процессора. Кэш L1 был ограничен двумя сегментами по 8 Кбайт, один для инструкций и один для данных. Чтобы восполнить дефицит 16 Кбайт памяти по сравнению с Pentium MMX, Intel добавила от 256 Кбайт до 1 Мбайт кэша L2 на отдельной микросхеме, присоединенной к корпусу ЦП. Она соединялась с ЦП с помощью внутренней шины передачи данных (BSB).

Изначально Intel планировала продавать Pentium Pro простым пользователям, но, в конечном счете, ограничила его выпуск моделями для серверных систем. Pentium Pro имел несколько революционных функций, но продолжал конкурировать с Pentium и Pentium MMX в плане производительности. Два более старых процессора Pentium были значительно быстрее при выполнении 16-битных операций, а в то время 16-битное ПО было преобладающим. Процессору также нахватало поддержки набора команд MMX, в результате Pentium MMX обгонял Pentium Pro в оптимизированных под MMX программах.

У Pentium Pro был шанс удержаться на потребительском рынке, но он был довольно дорогим в производстве из-за отдельной микросхемы, содержащей кэш L2. Самый быстрый процессор Pentium Pro достигал тактовой частоты 200 МГц и производился по техпроцессам 500 и 350 нм.

История процессоров Intel | P6: Pentium II

Intel не отступилась от архитектуры P6 и в 1997 году представила Pentium II, в которым были исправлены почти все недостатки Pentium Pro. Лежащая в основе архитектура была похожа на Pentium Pro. Он также использовал 14-уровневый конвейер и имел некоторые улучшения ядра, повышающие скорость выполнения инструкций. Объем кэша L1 вырос – 16 Кбайт для данных плюс 16 Кбайт для инструкций.

Для снижения стоимости производства Intel также перешла к более дешевым чипам кэш-памяти, присоединенным к более крупному корпусу процессора. Это был эффективный способ сделать Pentium II дешевле, но модули памяти не могли работать на максимальной скорости ЦП. В результате частота работы кэша L2 составляла лишь половину от процессорной, но для ранних моделей ЦП этого было достаточно, чтобы увеличить производительность.

Intel также добавила набор команд MMX. Ядра ЦП в Pentium II под кодовым названием "Klamath" и "Deschutes" также продавалась под брендами Xeon и Pentium II Overdrive, ориентированными на сервера. Модели с самой высокой производительностью имели 512 Кбайт кэша L2 и тактовую частоту до 450 МГц.

История процессоров Intel | P6: Pentium III и схватка за 1 ГГц

После Pentium II Intel планировала выпустить процессор, основанный на архитектуре Netburst, но она была еще не готова. Поэтому в Pentium III компания снова использовала архитектуру P6.

Первый процессор Pentium III носил кодовое имя "Katmai" и был очень похож на Pentium II: он использовал упрощенный кэш L2, работающий лишь на половине скорости ЦП. Базовая архитектура получила существенные изменения, в частности, несколько частей 14-уровневого конвейера были объединены между собой до 10 ступеней. Благодаря обновленному конвейеру и увеличению тактовой частоты первые процессоры Pentium III, как правило, немного обгоняли Pentium II.

Katmai производился по технологии 250 нм. Однако, после перехода на производственный процесс 180 нм, Intel смогла значительно увеличить производительность Pentium III. В обновленной версии под кодовым названием "Coppermine" кэш L2 был перемещен в ЦП, а его объем был снижена наполовину (до 256 Кбайт). Но поскольку он мог работать на частоте процессора, уровень производительности все равно повысился.

Coppermine участвовал в гонке с AMD Athlon за частотой 1 ГГц и преуспел. Позднее Intel попыталась выпустить модель процессора 1,13 ГГц, но в конечном счете она была отозвана после того, как доктор Томас Пабст из Tom"s Hardware обнаружил нестабильности в его работе . В итоге чип с частотой 1 ГГц остался самым быстрым процессором Pentium III на базе Coppermine.

Последняя версия ядра Pentium III называлась "Tualatin". При ее создании использовался техпроцесс 130 нм, который позволил добиться тактовой частоты 1,4 ГГц. Кэш L2 был увеличен до 512 Кбайт, что также позволило немного повысить производительность.

История процессоров Intel | P5 и P6: Celeron и Xeon

Вместе с Pentium II Intel также представила линейки процессоров Celeron и Xeon. Они использовали ядро Pentium II или Pentium III, но с разным объемом кэш-памяти. У первых моделей процессоров под брендом Celeron, основанных на базе Pentium II, вообще не было кэша L2, и производительность была ужасной. Более поздние модели на базе Pentium III имели половину от его объема кэша L2. Таким образом мы получили процессоры Celeron, которые использовали ядро Coppermine и имели только 128 Кбайт кэша L2, а более поздние модели, на базе Tualatin уже 256 Кбайт.

Версии с половиной кэша также называли Coppermine-128 и Tualatin-256. Частота этих процессоров была сопоставима с Pentium III и позволяла конкурировать с процессорами AMD Duron. Microsoft использовала процессор Celeron Coppermine-128 с частотой 733 МГц в игровой консоли Xbox.

Первые процессоры Xeon тоже были основаны на Pentium II, но имели больше кэша второго уровня. У моделей начального уровня его объем составлял 512 Кбайт, тогда как у старших собратьев могло быть до 2 Мбайт.

История процессоров Intel | Netburst: премьера

Прежде чем обсуждать архитектуру Intel Netburst и Pentium 4, важно понимать, в чем преимущества и недостатки ее длинного конвейера. Под понятием конвейера подразумевается перемещение инструкций через ядро. На каждом этапе конвейера выполняется множество задач, но иногда может выполняться только одна единственная функция. Конвейер можно увеличить путем добавлением новых аппаратных блоков или разделением одного этапа на несколько. А также можно уменьшить за счет удаления аппаратных блоков или объединения нескольких этапов обработки в один.

Длина или глубина конвейера имеет прямое влияние на задержку, IPC, тактовую частоту и пропускную способность. Более длинные конвейеры обычно требуют большей пропускной способности от других подсистем, и если конвейер постоянно получает необходимый объем данных, то каждый этап конвейера не будет простаивать вхолостую. Также процессоры с длинными конвейерами обычно могут работать при более высоких тактовых частотах.

Недостатком длинного конвейера является повышенная задержка исполнения, поскольку данные, проходящие через конвейер, вынуждены «останавливаться» на каждом этапе на определенное число тактов. Кроме того, процессоры, имеющие длинный конвейер, могут иметь более низкий показатель IPC, поэтому для повышения скорости работы они используют более высокие тактовые частоты. Со временем процессоры, использующие комбинированный подход, доказали свою эффективность без существенных недостатков.

История процессоров Intel | Netburst: Pentium 4 Willamette и Northwood

В 2000 году архитектура Intel Netburst, наконец, была готова и увидела свет в процессорах Pentium 4, доминировав в течение последующих шести лет. Первая версия ядра называлась "Willamette", под которой Netburst и Pentium 4 просуществовали два года. Однако это было трудное время для Intel, и новый процессор с трудом обгонял Pentium III. Микроархитектура Netburst позволяла использовать более высокие частоты, и процессоры на базе Willamette смогли достичь 2 ГГц, но в некоторых задачах Pentium III с частотой 1,4 ГГц оказывался быстрее. В этот период процессоры AMD Athlon имели большее преимущество в производительности.

Проблема Willamette состояла в том, что Intel расширила конвейер до 20 этапов и планировала побить планку частоты 2 ГГц, но из-за ограничений, накладываемых энергопотреблением и тепловыделением, она не смогла достигнуть поставленных целей. Ситуация улучшилась с появлением микроархитектуры Intel "Northwood" и использованием нового техпроцесса 130 нм, который позволил увеличить тактовую частоту до 3,2 ГГц и удвоить объем кэша L2 с 256 Кбайт до 512 Кбайт. Впрочем, проблемы с потребляемой мощностью и тепловыделением архитектуры Netburst никуда не делись. Однако производительность Northwood была значительно выше, и он мог конкурировать с новыми чипами AMD.

В процессорах класса high-end Intel внедрила технологию Hyper-Threading, увеличивающую эффективность использования ресурсов ядра в условиях многозадачности. Польза от Hyper-Threading в чипах Northwood была не так велика, как в современных процессорах Core i7 – прирост производительности составлял несколько процентов.

Ядра Willamette и Northwood также использовались в процессорах серии Celeron и Xeon. Как и в предыдущих поколениях ЦП Celeron и Xeon, Intel соответственно уменьшала и увеличивала размер кэша второго уровня, чтобы дифференцировать их по производительности.

История процессоров Intel | P6: Pentium-M

Микроархитектура Netburst разрабатывалась для высокопроизводительных процессоров Intel, поэтому она была довольно энергоемкой и не подходила для мобильных систем. Поэтому в 2003 году Intel создала свою первую архитектуру, разработанную исключительно для ноутбуков. Процессоры Pentium-M базировались на архитектуре P6, но с более длинными 12-14-уровневыми конвейерами. Кроме того в ней впервые был реализован конвейер переменной длины – если необходимая для команды информация уже была загружена в кэш, инструкции могли выполняться после прохождения 12 этапов. В противном случае им нужно было пройти еще два дополнительных этапа, чтобы загрузить данные.

Первый из таких процессоров выпускался по техпроцессу 130 нм и содержал 1 Мбайт кэш-памяти L2. Он достигал частоты 1,8 ГГц при потребляемой мощности всего 24,5 Вт. Более поздняя версия под именем "Dothan" с 90-нанометровыми транзисторами была выпущена в 2004 году. Переход на более тонкий производственный процесс позволял Intel увеличить кэш второго уровня L2 до 2 Мбайт, который в сочетании с некоторыми улучшениями ядра заметно увеличивал производительность из расчета на такт. Кроме того максимальная частота ЦП поднялась до 2,27 ГГц при небольшом повышении энергопотребления до 27 Вт.

Архитектура процессоров Pentium-M впоследствии использовалась в мобильных чипах Stealey A100, на замену которых пришли процессоры Intel Atom.

История процессоров Intel | Netburst: Prescott

Ядро Northwood с архитектурой Netburst продержалось на рынке с 2002 по 2004 год, после чего Intel представила ядро Prescott с многочисленными улучшениями. При производстве использовался техпроцесс 90 нм, позволивший Intel увеличить кэш L2 до 1 Мбайт. Также Intel представила новый процессорный интерфейс LGA 775, который обладал поддержкой памяти DDR2 и расширенной в четыре раза шиной FSB. Благодаря этим изменениям Prescott обладал большей пропускной способностью, чем Northwood, а это было необходимо для повышения производительности Netburst. Кроме того на базе Prescott Intel показала первый 64-битный процессор x86, имеющий доступ к ОЗУ большего объема.

Intel рассчитывала, что процессоры Prescott станут самыми успешными среди чипов на базе архитектуры Netburst, но вместо этого они потерпели фиаско. Intel снова расширила конвейер выполнения команд, на сей раз до 31 этапа. В компании надеялись, что увеличения тактовых частот будет достаточно, чтобы компенсировать наличие более длинного конвейера, но им удалось достичь только 3,8 ГГц. Процессоры Prescott были слишком горячими и потребляли слишком много энергии. В Intel рассчитывали, что переход на техпроцесс 90 нм устранит эту проблему, однако повышенная плотность транзисторов лишь усложнила охлаждение процессоров. Добиться более высокой частоты было невозможно, и изменения ядра Prescott негативно сказались на общей производительности.

Даже со всеми улучшениями и дополнительным кэшем Prescott, в лучшем случае, выходил на один уровень с Northwood по части произвольности на такт. В то же время процессоры AMD K8 также осуществили переход на более тонкий техпроцесс, что позволило повысить их частоты. AMD некоторое время доминировала на рынке ЦП для настольных компьютеров.

История процессоров Intel | Netburst: Pentium D

В 2005 году два основных производителя соревновались за первенство в анонсе двухъядерного процессора для потребительского рынка. AMD первой анонсировала двухъядерный Athlon 64, но он долго отсутствовал в продаже. Intel стремилась обойти AMD, используя многоядерный модуль (MCM), содержащий два ядра Prescott. Компания окрестила свой двухъядерный процессор Pentium D, а первая модель носила кодовое имя "Smithfield".

Однако Pentium D подвергся критике, поскольку имел те же проблемы, что и оригинальные чипы Prescott. Тепловыделение и энергопотребление двух ядер на базе Netburst ограничивали таковую частоту на уровне 3,2 ГГц (в лучшем случае). И поскольку эффективность архитектуры сильно зависела от загруженности конвейера и скорости поступления данных, показатель IPC у Smithfield заметно снизился, поскольку пропускная способность канала делилась между двумя ядрами. Кроме того физическая реализация двухъядерного процессора не отличалась изящностью (по сути это два кристалла под одной крышкой). И два ядра на одном кристалле в ЦП AMD считались более продвинутым решением.

После Smithfield появился Presler, который был переведен на 65 нм техпроцесс. Многоядерный модуль содержал два кристалла Ceder Mill. Это помогло уменьшить тепловыделение и потребляемую мощность процессора, а также поднять таковую частоту до 3,8 ГГц.

Существовало две основных версии Presler. Первая имела более высокий тепловой пакет 125 Вт, а более поздняя модель ограничивалась значением 95 Вт. Благодаря уменьшенному размеру кристалла Intel также смогла удвоить объема кэша L2, в итоге каждый кристалл имел по 2 Мбайт памяти. Некоторые модели для энтузиастов также поддерживали технологию Hyper-Threading, позволяющую ЦП выполнять задачи в четыре потока одновременно.

Все процессоры Pentium D поддерживали 64-битное ПО и ОЗУ объемом более 4 Гбайт.

Во второй части: процессоры Core 2 Duo, Core i3, i5, i7 вплоть до Skylake.

Введение

1 Развитие микропроцессоров

2 Микропроцессоры i80386

3 Микропроцессоры i80486

4 Процессоры Pentium

5 Производительность процессоров

6 Сопроцессоры

Список используемой литературы

Введение

Важнейший элемент любого PC - микропроцессор. Он в большей степени определяет возможности вычислительной системы. Первый микропроцессор i4004 был изготовлен в 1971г и с тех пор фирма Intel прочно удерживает лидирующее положение на сегменте рынка. Наиболее успешен проект разработки i8080. Именно на ней был основан компьютер "Альтаир", для которого Б. Гейтс написал свой первый интерпретатор Basic. Классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Настоящим промышленным стандартом для PC стал микропроцессор i8088, который был анонсирован Intel в июне 1979г. В 1981г "голубой гигант" (фирма IBM) выбрала этот процессор для своего PC. Первоначально микропроцессор i8088 работал на частоте 4.77 МГц и имел быстродействие около 0.33 Mops, однако потом были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту 8 МГц. Микропроцессор i8086 появился ровно на год раньше, в июле 1978г, стал популярен благодаря компьютеру CompaqDecPro. Опираясь на архитектуру i8086 и учитывая запросы рынка, в феврале 1982г Intel выпустила i80286. Он появился одновременно с новым компьютером IBM PC AT. Наряду с увеличением производительности имел защищенный режим (использовал более изощренную технику управления памятью). Защищенный режим позволил таким программам, как Windows 3.0 и OS/2 работать с ОЗУ выше 1Мб. Благодаря 16-ти разрядным данным на новой системной шине можно обмениваться с ПУ 2-х байтными сообщениями. Новый микропроцессор позволял в защищенном режиме обращаться к 16Мб ОЗУ. В процессоре i80286 впервые на уровне микросхем были реализованы мультизадачность и управление виртуальной памятью. При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1.2 Mips.

1 Развитие микропроцессоров

ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Intel-4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.

Это был настоящий прорыв, ибо МП Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда работал он гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый МП в десятки тысяч раз дешевле.

Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема прибора насчитывала 2300 транзисторов. МП работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип i4004 имел адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO), блок РОНов (регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл - РФ), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все эти функциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной ШД. Память команд достигала 4 Кбайт (для сравнения: объем ЗУ миниЭВМ в начале 70-х годов редко превышал 16 Кбайт), а РФ ЦП насчитывал 16 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как 8 8-разрядных. Такая организация РОНов сохранена и в последующих МП фирмы Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения подпрограмм. МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выводами. В систему его команд входило всего 46 инструкций.

Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), в связи с чем их приходилось реализовывать с помощью специальных подпрограмм. Модуль i4004 не имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний.

Цикл команды процессора состоял из 8 тактов задающего генератора. Была мультиплексированная ША (шина адреса)/ШД (шина данных), адрес 12-разрядный передавался по 4-разряда.

1 апреля 1972 г. фирма Intel начала поставки первого в отрасли 8-разрядного прибора i8008. Кристалл изготавливался по р-канальной МОП-технологии с проектными нормами 10 мкм и содержал 3500 транзисторов. Процессор работал на частоте 500 кГц при длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора).

В отличие от своих предшественников МП имел архитектуру ЭВМ принстонского типа, а в качестве памяти допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ.

По сравнению с i4004 число РОН уменьшилось с 16 до 8, причем два регистра использовались для хранения адреса при косвенной адресации памяти (ограничение технологии - блок РОН аналогично кристаллам 4004 и 4040 в МП 8008 был реализован в виде динамической памяти). Почти вдвое сократилась длительность машинного цикла (с 8 до 5 состояний). Для синхронизации работы с медленными устройствами был введен сигнал готовности READY.

Система команд насчитывала 65 инструкций. МП мог адресовать память объемом 16 Кбайт. Его производительность по сравнению с четырехразрядными МП возросла в 2,3 раза. В среднем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода требовалось около 20 схем средней степени интеграции.

Возможности р-канальной технологии для создания сложных высокопроизводительных МП были почти исчерпаны, поэтому "направление главного удара" перенесли на n-канальную МОП технологию.

1 апреля 1974 МП Intel 8080 был представлен вниманию всех заинтересованных лиц. Благодаря использованию технологии п-МОП с проектными нормами 6 мкм, на кристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 Мгц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт.

За счет использования 40-выводного корпуса удалось разделить ША и ШД, общее число микросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурации, сократилось до 6.

В РФ были введены указатель стека, активно используемый при обработке прерываний, а также два программнонедоступных регистра для внутренних пересылок. Блок РОНов был реализован на микросхемах статической памяти. Исключение аккумулятора из РФ и введение его в состав АЛУ упростило схему управления внутренней шиной.

Новое в архитектуре МП - использование многоуровневой системы прерываний по вектору. Такое техническое решение позволило довести общее число источников прерываний до 256 (до появления БИС контроллеров прерываний схема формирования векторов прерываний требовала применения до 10 дополнительных чипов средней интеграции). В i8080 появился механизм прямого доступа в память (ПДП) (как ранее в универсальных ЭВМ IBM System 360 и др.).

ПДП открыл зеленую улицу для применения в микроЭВМ таких сложных устройств, как накопители на магнитных дисках и лентах дисплеи на ЭЛТ, которые и превратили микроЭВМ в полноценную вычислительную систему.

Традицией компании, начиная с первого кристалла, стал выпуск не отдельного чипа ЦП, а семейства БИС, рассчитанных на совместное использование.

Современные микропроцессоры построены на 32-х битной архитектуре x86 или IA-32 (Intel Architecture 32 bit), но совсем скоро произойдет переход на более совершенную, производительную 64-х битную архитектуру IA-64 (Intel Architecture 64 bit). Фактически переход уже начался, этому свидетельствует массовый выпуск и выход в продажу в 2003 году нового микропроцессора Athlon 64 корпорации AMD (Advanced Micro Devices), этот микропроцессор примечателен тем, что может работать как с 32-х битными приложениями, так и с 64-х битными. Производительность 64-х битных микропроцессоров намного выше.

2 Микропроцессоры i80386

В октябре 1985 года Intel анонсировал первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Первым компьютером, использующий этот микропроцессор, был CompaqDeskPro 386. Полностью 32-разрядная архитектура в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью, которое помимо блока сегментации было дополнено блоком управления страницами. Этого устройство позволяет легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое. На тактовой частоте 16 МГц быстродействие составляло 6 Mips. 32-адресные линии позволяли физически адресовать 4Gb памяти, кроме того, был введен новый режим управления виртуальной памятью V86. В этом режиме могли одновременно могли выполняться несколько задач для i8086.

Микропроцессор i80386, изготовленный на 1 кристалле с сопроцессором, назывался i80386DX. Более дешевая модель 32-разрядного микропроцессора появилась только в июле 1988г (i80386SX). Новый микропроцессор использовал 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. Это было особенно удобно для стандартного IBM PC AT. Программное обеспечение, написанное для i80386DX, работало на i80386DX. Внутренние регистры были полностью идентичны. Индекс SX произошел от слова "шестнадцать"(16-разрядная шина данных). Для i486 SX стал означать отсутствие сопроцессора. На осенней выставке в 1989г Intel анонсировала i80486DX, который содержал 1.2 млн. транзисторов на одном кристалле и был полностью совместим с остальными 86-ми процессорами. Новые микросхемы впервые объединили на 1 кристалле ЦП, сопроцессор и Кэш-память. Использование конвейерной архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволяющим достичь 4-х кратного производительности обычных 32-разрядных систем. 8Кб встроенной Кэш-памяти ускоряли выполнение за счет промежуточного хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц микропроцессор имел производительность 16.5 Mips. Созданная в январе 1991г. версия микропроцессора с тактовой частотой 50 МГц позволял увеличить производительность еще на 50%. Встроенный сопроцессор существенно ускорял математические вычисления, однако впоследствии стало ясно, что подобный микропроцессор необходим только 30% пользователей.

Сейчас, даже более мене продвинутые мобильные телефоны не обходятся без микропроцессора, что уже говорить о планшетных, переносных и настольных персональных компьютерах. Что же такое микропроцессор и как развивалась история его создания? Если говорить на понятном языке, то микропроцессор – это более сложная и многофункциональная интегральная схема.

История микросхемы (интегральной схемы) начинается с 1958 года , когда сотрудник американской фирмы Texas Instruments Джек Килби изобрел некое полупроводниковое устройство, содержащее в одном корпусе несколько транзисторов, соединенных между собой проводниками. Первая микросхема – прародительница микропроцессора – содержала всего лишь 6 транзисторов и представляла собой тонкую пластину из германия с нанесёнными на неё дорожками, выполненными из золота, Расположено всё это было на стеклянной подложке. Для сравнения, сегодня счет идет на единицы и даже десятки миллионов полупроводниковых элементов.

К 1970 году достаточно много производителей занимались разработкой и созданием интегральных схем различной емкости и разной функциональной направленности. Но именно этот год можно считать датой рождения первого микропроцессора. Именно в этом году фирма Intel создает микросхему памяти емкостью всего лишь 1 Кбит – ничтожно мало для современных процессоров, но невероятно велико для того времени. На то время это было огромнейшее достижение – микросхема памяти способна была хранить до 128 байт информации – намного выше подобных аналогов. Кроме этого примерно в тоже время японский производитель калькуляторов Busicom заказала той же Intel 12 микросхем различной функциональной направленности. Специалистам Intel удалось реализовать все 12 функциональных направленностей в одной микросхеме. Более того, созданная микросхема оказалась многофункциональной, поскольку позволяла программно менять свои функции, не меняя при этом физической структуры. Микросхема выполняла определенные функции в зависимости от подаваемых на ее управляющие выводы команд.

Уже через год в 1971 Intel выпускает первый 4-разрядный микропроцессор под кодовым именем 4004. По сравнению с первой микросхемой в 6 транзисторов, он содержал аж 2,3 тыс. полупроводниковых элементов и выполнял 60 тыс. операций в секунду. На то время – это был огромнейший прорыв в области микроэлектроники. 4-разрядный означало то, что 4004 мог обрабатывать сразу 4-х битные данные. Еще через два года в 1973 фирма выпускает 8-ми разрядный процессор 8008, который работал уже с 8-ми битными данными. Начиная с 1976 года , компания начинает разрабатывать уже 16-разрадную версию микропроцессора 8086. Именно он начал применяться в первых персональных компьютерах IBM и, по сути заложил один из кирпичиков в историю ЭВМ.

Типы микропроцессоров

По характеру исполняемого кода и организации устройства управления выделяется несколько типов архитектур:

Процессор со сложным набором инструкций. Эту архитектуру характеризует большое количество сложных инструкций, и как следствие сложное устройство управления. В ранних вариантах CISC-процессоров и процессоров для встроенных приложений характерны большие времена исполнения инструкций (от нескольких тактов до сотни), определяемые микрокодом устройства управления. Для высокопроизводительных суперскалярных процессоров свойственны глубокий анализ программы, внеочередное исполнение операций.

Процессор с упрощённым набором инструкций. В этой архитектуре значительно более простое устройство управления. Большинство инструкций RISC-процессора сожержат одинаковое малое число операций (1, иногда 2-3), а сами командные слова в подавляющем числе случаев имеют одинаковую ширину (PowerPC, ARM), хотя бывают исключения (Coldfire). У суперскалярных процессоров - простейшая группировка инструкций без изменения порядка исполнения.

Процессор с явным параллелизмом. Отличается от прочих прежде всего тем, что последовательность и параллельность исполнения операций и их распределение по функциональным устройствам явно определены программой. Такие процессоры могут обладать большим количеством функциональных устройств без особого усложнения устройства управления и потерь эффективности. Обычно такие процессоры используют широкое командное слово, состоящее из нескольких слогов, определяющих поведение каждого функционального устройства в течение такта.

Процессор с минимальным набором инструкций. Эта архитектура определяется прежде всего свехмалым количеством инструкций (несколько десятков), и почти все они нуль-операндные. Такой подход даёт возможность очень плотно упаковать код, выделив под одну инструкцию от 5 до 8 бит. Промежуточные данные в таком процессоре обычно хранятся на внутреннем стеке, и операции производятся над значениям на вершине стека. Эта архитектура тесно связана с идеологией программирования на языке Forth и обычно используется для исполнения программ, написанных на этом языке.

Процессор с изменяемым набором инструкций. Архитектура, позволяющая перепрограммировать себя, изменяя набор инструкций, подстраивая его под решаемую задачу.

Транспорт-управляемый процессор. Архитектура изначально ответвилась от EPIC, но принципиально отличающаяся от остальных тем, что инструкции такого процессора кодируют функциональные операции, а так называемые транспорты - пересылки данных между функциональными устройствами и памятью в произвольном порядке.

По способу хранения программ выделяется две архитектуры:

Архитектура фон Неймана . В процессорах этой архитектуры используется одна шина и одно устройство ввода-вывода для обращения к программе и данным.

Гарвардская архитектура. В процессорах этой архитектуры для выборки программ и обмена данным существуют отдельные шины и устройства ввода-вывода. Во встроенных микропроцессорах, микроконтроллерах и ПЦОС это также определяет существование двух независимых запоминающих устройств для хранения программ и данных. В центральных процессорах это определяет существование отдельного кэша инструкций и данных. За кэшем шины могут быть объединены в одну посредством мультиплексирования.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИЇ

Современные решения в сфере автоматизации, роботизации и электропривода невозможно представить без использования микропроцессорных средств и систем. Весомый вклад в развитие полупроводниковой микросхемотехники внесла известная американская компания Intel, основанная в 1968 году. Это было время появления новых технологий, благодаря которым появилась возможность создавать миниатюрные полупроводниковые устройства – микросхемы. Их применение открывало новые перспективы во всех областях техники, в т. ч. и в автоматизации. Начиналась эра цифровой машинной обработки информации. Первый компьютер ENIAC, созданный в 1946 году, весил около 30 т и занимал большое помещение. В 1968 году в мире насчитывалось уже 30 тыс. компьютеров. Это были преимущественно большие универсальные ЭВМ (электронные вычислительные машины) и «мини-компьютеры» размером со шкаф. Неприятной особенностью этих ЭВМ были частые аварийные ситуации из-за перегрева ламп и большого числа разъемов. Поэтому появление интегральной электроники было обусловлено объективными причинами.

Рис. 1. Первый электронный цифровой компьютер общего назначения ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer))

Основателями фирмы Intel были талантливые ученые и изобретатели Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув. Именно Роберт Нойс в 1959 году изобрел интегральную микросхему. В середине 60 х годов Нойс работал менеджером американской компании Fairchild Semiconductor, известной своими разработками в сфере электронных технологий. Гордон Мур возглавлял научные исследования и конструкторские разработки в Fairchild Semiconductor, был одним из восьми основателей Fairchild. Энди Гроув, уроженец Венгрии, был специалистом по разработке технологических процессов. Он пришел в компанию Fairchild Semiconductor после того, как получил в университете Беркли степень доктора наук в области химических технологий.

В конце 60 х много талантливых инженеров увольнялись из Fairchild Semiconductor и создавали собственные фирмы. Роберт Нойс и Гордон Мур основали Intel и стали ее первыми сотрудниками. Со временем к ним присоединился и Энди Гроув. Стартовый капитал (2,5 млн. долларов) фирме предоставил финансист из Сан-Франциско Артур Рок.

Фирма Intel специализировалась на производстве полупроводниковых запоминающих устройств. Первым серийным устройством была микросхема «3101» 64 разрядной Шоттки-биполярной статической оперативной памяти. Особенное же место, которое заняла Intel в мире электроники, связано с другими устройствами – микропроцессорами. Именно они стали технической базой нынешней компьютерной научно-технической революции.

Толчком к созданию микропроцессора оказался контракт с японской фирмой Busicom, специализировавшейся на выпуске калькуляторов. Busicom заказала Intel разработку двенадцати специализированных микросхем, однако для выполнения такого крупного заказа Intel не имела достаточно человеческих, финансовых и производственных ресурсов. Тогда талантливый инженер Тед Хофф предложил вместо двенадцати специализированных микросхем создать одну универсальную, которая сможет их заменить. Р. Нойс и Г. Мур оценили утонченность предложенного Т. Хоффом решения. Идея удовлетворила и компанию Busicom, которая финансировала работу. Таким образом, Intel начала разработку универсальной микросхемы, которую можно запрограммировать на выполнение тех или иных команд. Впервые отпала необходимость в аппаратной реализации алгоритма работы устройства: все операции по обработке числовых данных теперь велись в соответствии с определенной программой, что обещало экономию средств и времени. Над реализацией задуманного Т. Хоффом работала группа инженеров и конструкторов Intel, которую возглавлял Федерико Феджин. Через 9 месяцев напряженного труда появился первый в мире микропроцессор «4004». Он насчитывал 2300 полупроводниковых транзисторов, но спокойно умещался на ладони. В производительности же новый процессор не уступал компьютеру ENIAC, занимавшему 85 кубических метров и состоявшему из 18000 вакуумных ламп. Тед Хофф разработал архитектуру первого процессора, Стен Мейзор – систему его команд, а Федерико Феджин спроектировал кристалл процессора.

Оценив преимущества использования микропроцессоров, руководство Intel пошло на переговоры с компанией Busicom, вследствие которых Intel приобрела все права на процессор «4004» за 60 тысяч долларов (следует отметить, что вскоре Busicom обанкротилась). После этого началась широкая рекламная компания, целью которой было донести инженерному сообществу большой потенциал программируемых устройств в разных сферах – от управления дорожным движением до автоматизации сложных производственных процессов. Intel проводила семинары для инженеров, публиковала рекламные материалы и справочные пособия по использованию микропроцессоров. В некоторые недели фирма продавала больше справочной документации, чем самих микропроцессоров. Через определенное время они получили очень широкое распространение.

Таким образом, микросхема «4004» стала первым микропроцессором. Приблизительно через полгода о появлении подобных устройств объявили еще несколько фирм. Эти микропроцессоры, исполненные по р-МОП технологии, были четырехразрядными, т. е. за один раз могли обрабатывать только 4 бита информации. Длина программы и набор команд были ограничены, первые процессоры не имели многих функций, обязательных для современных микропроцессоров. В 1972 году фирма Intel выпустила процессор «8008», который унаследовал основные черты «4004». Это был первый 8 разрядный процессор, который сегодня относят к процессорам первого поколения. Он уже имел аккумулятор, шесть регистров общего назначения, указатель стека, восемь регистров адреса и специальные команды для ввода/вывода данных, но и этот процессор не стал широкоупотребительным в коммерческих разработках.

В конце 1973 года фирмой Intel разрабатывается новый 8-разрядный микропроцессор «8080». Его архитектура и система команд оказались настолько удачными, что и сегодня он считается классическим.

Широкое применение микропроцессоров в технике началось именно с появлением чипа «8080», который принадлежал к процессорам третьего поколения, но был не единственным удачным 8 разрядным процессором. Спустя полгода появился микропроцессор «6800» американской фирмы Motorola, который составил жесткую конкуренцию интеловскому процессору. Как и «8080», микропроцессор «6800» был выполнен по n МОП технологии, требовал наличия отдельного тактового генератора, имел трехшинную структуру с 16 разрядной шиной адреса, хорошо развитую архитектуру и систему команд. Его главными преимуществами были более мощная, чем у «8080» система прерываний и одно (а не три, как у «8080») напряжение питания. Принципы внутренней архитектуры «6800» также значительно отличались от «8080» прежде всего отсутствием регистров общего назначения, в которых, в зависимости от поставленных задач, могла сохраняться как адресная информация, так и числовые данные. Вместо них в состав процессора добавился второй равноценный аккумулятор для обработки данных и специализированные 16 разрядные регистры, где хранилась только адресная информация. Данные для обработки выбирались из внешней памяти и туда же возвращались после обработки. Команды работы с памятью были проще и короче, но пересылка байта в память занимала больше времени, чем обмен между внутренними регистрами «8080». Архитектура ни одного из двух упомянутых процессоров не имела существенных преимуществ, и каждый из них стал родоначальником двух больших семейств микропроцессоров – Intel и Motorola, представители которых конкурируют по сей день.

В 1978 году на фирме Intel был изготовлен первый 16 разрядный микропроцессор «8086», использованный компанией International Business Machines (IBM) для создания персональных компьютеров, а 16 разрядный чип «68000» фирмы Motorola был применен в известных компьютерах Atari и Apple. Что касается «домашних» компьютеров, то они широко распространились с появлением модели ZX Spectrum (на базе процессора «Z80») английской фирмы Sinclair Research Ltd, основателем которой был талантливый инженер сэр Клайв Синклер. Идея применить телевизор вместо дорогого монитора и бытовой магнитофон для хранения программ и данных значительно удешевила домашний компьютер и сделала его доступным для среднего покупателя.

	Intel 4004 – 4-битный микропроцессор, разработанный корпорацией Intel и выпущенный 15 октября 1971 года. Эта микросхема считается первым в мире коммерчески доступным однокристальним микропроцессором.
	Intel 8080 – 8-битный микропроцессор, выпущенный в 1974 году. Обеспечивал десятикратный прирост вычислительной производительности в сравнении с предыдущим процессором. Это устройство, благодаря которому инженерное сообщество восприняло идею микропроцессоров. Этот чип спровоцировал бум персональных компьютеров.
	Intel 8048 – первый в мире микроконтроллер, был выпущен в конце 70 х годов. Это устройство получило широкое распространение благодаря использованию его в клавиатурах персональных компьютеров и в игровых приставках
	Intel 8051 – микроконтроллер второго поколения, был выпущен в 1980 году. Благодаря удачной архитектуре и системе команд стал фактически промышленным стандартом. Выпускается до сих пор известными корпорациями Америки, Кореи та Японии.
	Современный многоядерный процессор Вычислительная производительность современных микропроцессоров по результатам разных тестов приблизительно в десятки тысяч раз превышает производительность первого процессора.

Рис. 2. Линейка ключевых моделей микропроцессоров и микроконтроллеров

Через год после создания микропроцессора «8080» несколько инженеров Intel перешли в фирму Zilog и начали работать над созданием нового процессора, опираясь на свои предыдущие разработки. Вследствие этого в 1977 году появился микропроцессор «Z80», который стал лучшим представителем 8-разрядных процессоров. В сравнении с «8080» он требовал только одного напряжения питания, имел более мощную и гибкую систему прерываний, втрое более высокую тактовую частоту, два аккумулятора и двойной набор регистров общего назначения. Система команд «Z80» вмещала все 78 команд микропроцессора «8080» и почти такое же число дополнительных команд, поэтому программы, созданные для «8080», без каких либо изменений переносились на «Z80».

Позднее (середина 70-х) возникла еще одна тенденция в развитии микропроцессоров, имеющая непосредственное отношение к автоматизации и появлению процессоров для встраиваемых решений. Начало ей положил процессор «8085» фирмы Intel. Сначала он задумывался как продолжение чипа «8080», но через некоторое время появился «Z80» и новый микропроцессор «6809» фирмы Motorola. Оба они значительно превосходили «8085» в производительности, что побудило Intel взяться за разработку первого 16- разрядного микропроцессора «8086», но с разработкой периферийных микросхем «8156» и «8755» процессор «8085» получил новые перспективы. Первая микросхема содержала статическое ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) объемом 256 байт, два 8 разрядных, побитно настраиваемых на ввод/вывод порта и программируемый таймер-счетчик. В состав второй входили три многоразрядных порта ввода/вывода и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) емкостью 2 Кбайта с ультрафиолетовым стиранием. Объединив соответствующим образом выводы этих трех микросхем, разработчики электронной аппаратуры получали функционально завершенный модуль – микроконтроллер, который можно встроить в любой прибор: вольтметр, частотомер, в разного рода усилительные устройства или преобразователи. Несколько фирм выпустили экономичные по питанию k МОП версии этого семейства. Это дало возможность создавать микропроцессорные приборы с автономным батарейным питанием. Наконец, в конце 70 х годов Intel «объединила» эти три микросхемы в один чип и создала однокристальную микро ЭВМ (микроконтроллер) «8048», в состав которой вошли ОЗУ и ПЗУ, арифметико-логическое устройство, встроенный тактовый генератор, таймер-счетчик, порты ввода/вывода. Далее были разработаны подобные сорок восьмому микроконтроллеры «8035» и «8748». Система команд однокристальных микроконтроллеров была значительно слабее, чем у процессора «8085», объем ОЗУ и ПЗУ, количество портов ввода/вывода также было меньшим, чем у выше упомянутого трехкорпусного модуля, но все это размещалось в одном чипе, что значительно упрощало разработку и производство новых устройств на базе однокристальных микро ЭВМ. Идея создания универсальных аппаратных средств с программной настройкой на конкретные задачи, которая стала толчком к появлению микропроцессоров, получила наивысшую степень реализации именно в однокристальных микроконтроллерах.

В начале 80 х годов Intel выпустила более мощный микроконтроллер «8051, а вскоре – и его модификации «8031» и «8751». Ядро микро ЭВМ этой серии стало классическим для микроконтроллеров. С точки зрения технологии микроконтроллер «8051» был для своего времени очень сложным устройством MCS 51 – безусловный лидер по числу разновидностей и компаний, выпускающих его модификации. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров MCS 51, которые выпускаются почти 20 ведущими фирмами-производителями электронных компонентов (Atmel, Infineon Technologies, Philips, Hyundai, Dallas Semiconductor, Temic, TDK, Oki, AMD, MHS, LG, Winbond, Silicon Labs, и др.). Получили свою нишу также и микроконтроллеры оригинальной архитектуры фирм Motorola, Zilog, Analog Devices, Microchip, Scenix, Holtec.

	Боб Нойс (Bob Noyce) Известен своими новаторскими взглядами на пути развития полупроводниковых технологий. Именно Роберт Нойс в 1959 году изобрел интегральную микросхему. В середине 60 х Нойс был менеджером влиятельной фирмы Fairchild Semiconductor. В дальнейшем – один из основателей фирмы Intel.
	Гордон Мур (Gordon Moore) Талантливый и трудолюбивый инженер, пользовавшийся большим авторитетом среди коллег. Один из основателей фирмы Intel. «Мы – настоящие революционеры. Ведь эти новейшие до-стижения электроники изменяют мир значительно быстрее, чем всякие политические события».
	Енді Гроув (Andy Grove) Энергичный и предприимчивый Эндрю Гроув работал в фирме Fairchild Semiconductor специалистом по разработке технологических процессов. Гроув пришел в Fairchild после того, как получил в университете Беркли ученую степень доктора в области химических технологий. Один из основателей Intel.
	Тед Хофф (Ted Hoff) Тедди Хофф – один из изобретателей микропроцессора. Именно он предложил концепцию универсальной микро-схемы и разработал архитектуру первого процессора. «Больше всего лично мне импонирует то, что, благодаря микропроцессорам, компьютеры стали массовым доступ-ным продуктом».

Рис. 3. Выдающиеся ученые-изобретатели, революционеры в области микроэлектроники

Создание микропроцессора признано одним из выдающихся достижений ХХ века. Ежегодно в мире продаются сотни миллионов микропроцессоров и миллиарды микроконтроллеров. По данным журнала «мир компьютерной автоматизации», средний американец на протяжении дня около 300 раз (!) имеет дело с микроконтроллерами, встроенными буквально повсюду – от стиральных машин, лифтов и телефонов до светофоров, автомобилей и промышленных станков.

Журнал «Обзор состояния дел в полупроводниковой промышленности и торговле» («Semiconductor Industry and Business Survey») считает: если бы автомобилестроение и авиационная промышленность развивались такими же темпами, как производство полупроводников на протяжении 30 лет, то автомобиль «Роллс-ройс» стоил бы 2 доллара 75 центов и, используя всего лишь один литр бензина, мог бы проехать почти полторы тысячи километров, а самолет «Боинг 767» стоил бы 500 долларов и мог бы облететь вокруг земного шара за 20 минут, истратив лишь канистру керосина. В 1996 году имена создателей микропроцессора доктора Тедда Хоффа, доктора Федерико Феджина и Стена Мейзора были занесены в Национальный зал славы изобретателей США (г. Эйкрон, Огайо) и встали в ряд с именами Томаса Эдисона, братьев Райт и Александра Белла.

Еще одно направление развития микропроцессорных систем зародилось в 1969 году, что было обусловлено необходимостью замены на промышленных предприятиях сложных, громоздких и ненадежных релейно-контакторных схем автоматического управления. Именно в этом году компания General Motors подготовила тендерный запрос на разработку универсального микропроцессорного устройства для нужд промышленного производства.

Тендер виграла компания Bedford Associates из штата Массачусетс, которую на то время возглавлял Ричард Морли. Они разработали микропроцессорное устройство (контроллер), которое позволяло коммутировать присоединенные к нему сигнальные провода в разных комбинациях. Эти комбинации задавались программой управления, которая составлялась на компьютере, а потом загружалась в память контроллера. Таким образом, с помощью одного микропроцессорного устройства с загруженной в него программой стало возможно реализовать систему управления, для разработки которой ранее приходилось коммутировать десятки или даже сотни разнообразных электромеханических компонентов, таких как реле, таймеры, счетчики, регуляторы и т. п. При этом один и тот же контроллер можно было бы использовать для управления разнообразными машинами и механизмами только лишь изменяя загруженную в него программу. Так в мире появился первый программируемый логический контроллер (ПЛК), который компания Bedford Associates окрестила «Проектом 084».

Компания стала развивать производство промышленных контроллеров и позднее была переименована в «Modicon» (сокращение от «Modular Digital Controller», т. е. модульный цифровой контроллер). В 1977 году бренд “Modicon” был продан компании Gold Electronics, позднее его выкупила известная немецкая фирма “AEG”. В итоге, бренд «Modicon» перешел в собственность французской компании “Schneider Electric ”, которая владеет им до сего дня. Следует отметить, что «Schneider Electric» является одним из мировых лидеров в сфере разработки, производства и внедрения технических средств электроснабжения, электропривода и автоматизации.

В тендере по заявке General Motors также принимала участие еще одна фирма, которая и сейчас занимает высокие позиции среди лидеров производителей компонентов для автоматизации. Речь идет про Allen Bradley. Хотя фирма и проиграла тендер, работы в этом направлении выполнялись дальше. Руководство Allen Bradley приобрело контрольные пакеты акций компании Information Instruments и корпорации Bunker-Ramo, которые на то время уже разработали контроллер «PDQ II» (сокращение от «Program Data Quantizer», программный модулятор данных). Эта модель контроллера оказалась слишком громоздкой и сложной в программировании. Однако Allen Bradley проявила настойчивость и в 1970 году на базе «PDQ II» был разработан контроллер «PMC» («Programmable Matrix Controller», или программируемый матричный контроллер). Однако и эта модель не слишком соответствовала требованиям заказчиков для управления технологическими агрегатами. После доработки на свет появилась модель, названная PLC 1 («Programmable Logic Controller», программируемый логический контроллер). Именно это название и аббревиатура PLC утвердились в сфере автоматизации и используются специалистами для обозначения такого класса устройств.

а)	б)

В середине 70 х годов прошлого века рынок программируемых логических контроллеров начал стремительно расти и у Modicon и Allen Bradley появился ряд конкурентов, среди которых следует отметить General Electric, Siemens, Square D, Industrial Solid State Controls, и др.

Значительным шагом к упрощению применения программируемых логических контроллеров стало введение международного стандарта IEC 61131 3, который декларирует языки программирования для ПЛК. Благодаря этому инженер любого профиля (технолог, электрик, химик, и т. п.) может с легкостью создавать программы для управления технологическими установками даже без знания тонкостей программирования. Также обозначенные языки универсальны для ПЛК разных производителей.

История развития процессоров

Характеристики МП

Контрольные вопросы

История развития процессоров с 1971 года до наших дней

Интересен тот факт, что первый процессор был выпущен на 10 лет раньше первого ком­пьютера IBM PC. Компания Intel создала свой первый процессор в 1971 году, а компания IBM свой первый ПК - в 1981 году. Но даже теперь, спустя более четверти века, мы продол­жаем использовать системы, в той или иной мере сходные по архитектуре с первым ПК. Про­цессоры, установленные в наших компьютерах сегодня, большей частью имеют обратную совместимость с процессором 8088, который компания IBM выбрала для своего первого персо­нального компьютера в 1981 году.

15 ноября 2001 года микропроцессор отпраздновал свое 30-летие. За эти годы его быстро­действие увеличилось более чем в 18500 раз (с 0,108 МГц до 2 ГГц). Процессор 4004 был представлен 15 ноября 1971 года; он работал на частоте 108 кГц (108000 тактов в секунду, или всего 0,1 МГц). Про­цессор 4004 содержал 2300 транзисторов и производился с использованием 10-микронной технологии. Это означает, что все линии, дорожки и транзисторы располагались от других элементов на расстоянии около 10 микрон (миллионная часть метра). Данные передавались блоками по 4 бит за такт, а максимальный адресуемый объем памяти составлял 640 байт. Процессор 4004 предназначался для использования в калькуляторах, однако в конечном ито­ге нашел и другие применения в связи с широкими возможностями программирования. На­пример, процессор 4004 использовался для управления светофорами, при анализе крови и даже в исследовательской ракете Pioneer 10, запущенной NASA!

В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3500 транзисторов и производился все по той же 10-микронной технологии. Шина данных была 8-разрядной, что позволяло 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 6000 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 несовместим с 8080 по контактным выводам, но сочетал в себе множество различных функций, например интерфейс памяти и схему обновления ОЗУ (RAM), что давало возможность разрабатывать 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 8500 транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти.

Компания Intel не остановилась на достигнутом, и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3-микронной технологии. Несмотря на то что он обогнал процессор Z-80 на несколько меся­цев, ему так и не удалось достичь популярности последнего. Он использовался в основном в качестве управляющей микросхемы различных компьютеризованных устройств.

В этом же году компания MOS Technologies выпустила процессор 6502, который был аб­солютно не похож 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 вполне приемлема для Стива Возняка (Steve Wozniak), и он встроил процессор- 6502 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. Второе поколение компьютеров Mac использовало процессор PowerPC, являю­щийся преемником 68000. Сегодня компьютеры Mac снова перешли на архитектуру PC и ис­пользуют с ними одни процессоры, микросхемы системной логики и прочие компоненты.

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 самых современных процессорах Core 2 и AMD Athlon 64 X2. Процессор 8086 был полностью 16-разрядным - внут­ренние регистры и шина данных. Он содержал 29000 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 для быстрого перевода программ системы CP/M (8080) на рельсы PC.

Несмотря на высокую эффективность процессора 8086 его цена была все же слишком вы­сока по меркам того времени и, что гораздо важнее, для его работы требовалась дорогая мик­росхема поддержки 16-разрядной шины данных. Чтобы уменьшить себестоимость процессо­ра, в 1979 году Intel выпустила процессор 8088 - упрощенную версию 8086. 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 тем самым значительно снизить стоимость создаваемых системных плат и компьютеров. Именно поэтому IBM выбрала для своего первого ПК "урезанный" процессор 8088, а не 8086.

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 легко преобразовать для процессора 8088. Это, в свою очередь, позволяло разра­батывать разнообразные программы для IBM РС, что явилось залогом его будущего успеха. Не желая останавливаться на полпути, Intel была вынуждена обеспечить поддержку обратной совместимости 8088/8086 с большинством процессоров, выпущенных в то время.

В те годы еще поддерживалась обратная совместимость процессоров, что ничуть не меша­ло вводить различные новшества и 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). Эта архитектура была представ­лена в 1985 году, однако потребовалось еще 10 лет, чтобы на рынке появились такие операци­онные системы, как Windows 95 (частично 32-разрядные) и Windows NT (требующие ис­пользования исключительно 32-разрядных драйверов). И только еще через шесть лет появилась операционная система Windows XP, которая была 32-разрядной как на уровне драйверов, так и на уровне всех компонентов. Итак, на адаптацию 32-разрядных вычислений потребовалось 16 лет. Для компьютерной индустрии это довольно длительный срок.

Теперь наблюдается очередной "скачок" в развитии архитектуры ПК - компании Intel и AMD представили 64-разрядные расширения 32-разрядной архитектуры Intel IA-64 (Intel Archi­tecture, 64-bit - 64-разрядная архитектура Intel), выпустив процессоры Itanium и Itanium 2. Од­нако данная архитектура была абсолютно несовместима с существовавшей 32-разрядной. Архи­тектура IA-64 была анонсирована в 1994 году в рамках проекта по разработке компаниями Intel и HP нового процессора с кодовым именем Merced; первые технические детали были опубликованы в октябре 1997 года. В результате в 2001 году был выпущен процессор Itanium, поддерживающий архитектуру IA-64.

К сожалению, IA-64 не являлась расширением архитектуры IA-32, а была совершенно но­вой архитектурой. Это хорошо для рынка серверов (собственно, для этого IA-64 и разрабаты­валась), однако совершенно неприемлемо для мира ПК, который всегда требовал обратной совместимости. Хотя архитектура IA-64 и поддерживает эмуляцию IA-32, при этом обеспечи­вается очень низкая производительность.

Компания AMD пошла по другому пути и разработала 64-разрядные расширения для архи­тектуры IA-32. В результате появилась архитектура AMD64 (которая также называется x86-64). Через некоторое время Intel представила собственный набор 64-разрядных расширений, кото­рый назвала EM64T (IA-32e). Расширения Intel практически идентичны расширениям AMD, что означает их совместимость на программном уровне. В результате впервые в истории сложи­лась ситуация, когда Intel следовала за AMD в разработке архитектуры ПК, а не наоборот.

Для того чтобы 64-разрядные вычисления стали реальностью, необходимы 64-разрядные операционные системы и драйверы. В апреле 2005 года компания Microsoft начала распро­странять пробную версию Windows XP Professional x64 Edition, поддерживающую дополни­тельные инструкции AMD64 и EM64T. Основные производители компьютеров уже постав­ляют готовые системы с предустановленной Windows XP Professional x64 и с 64-разрядной системой Windows Vista; они также разработали 64-разрядные драйверы для достаточно со­временных моделей устройств. Выпускаются и 64-разрядные версии Linux, благодаря чему каких-либо серьезных препятствий для перехода к 64-разрядным вычислениям нет.

Последним достижением можно считать выпуск компаниями Intel и AMD двух- и четы-рехъядерных процессоров. Они содержат два или четыре полноценных ядра на одной под­ложке; в результате один процессор теоретически может выполнять работу двух или четырех процессоров. Хотя многоядерные процессоры не обеспечивают значительного увеличения быстродействия в играх (которые в основном предполагают выполнение данных в один по­ток), они просто незаменимы в многозадачной среде. Если вы когда-нибудь пытались одно­временно выполнять проверку компьютера на наличие вирусов, работать с электронной по­чтой, а также запускать какие-то другие приложения, то наверняка знаете, что такая нагрузка может "поставить на колени" даже самый быстрый одноядерный процессор. Поскольку двухъядерные процессоры сейчас выпускаются обеими компаниями, Intel и AMD, шансы на то, что вам удастся выполнить работу гораздо быстрее благодаря многозадачности, значи­тельно возрастают. Современные двухъядерные процессоры также поддерживают 64-разряд­ные расширения AMD64 или EM64T, что позволяет воспользоваться преимуществами как двухъядерности, так и 64-разрядных вычислений.

Персональные компьютеры прошли долгий путь развития. Первый используемый в ПК процессор 8088 содержал 29 тыс. транзисторов и работал с частотой 4,77 МГц. Процессор AMD Athlon 64 FX содержит больше 105 млн. транзисторов, процессор Pentium 4 670 (ядро Prescott) работает с частотой 3,8 ГГц и содержит 169 млн. транзисторов, преимущественно благодаря наличию кэш-памяти второго уровня L2 объемом 2 Мбайт. Двухъядерные процес­соры, содержащие два ядра и кэш-память на одной подложке, характеризуются еще большим количеством транзисторов. Процессор Intel Pentium D содержит 230 млн. транзисторов, а AMD Athlon 64 X2 - более 233 млн. Последние процессоры Core 2 Duo и Core 2 Quad содер­жат 291 и 582 млн. транзисторов соответственно; при этом в последний интегрирована кэш­память второго уровня объемом 8 Мбайт. Многоядерная архитектура и постоянно растущий объем кэш-памяти второго уровня приводят к постоянному росту количества транзисторов. Скоро эта отметка перевалит за один миллиард. 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.

ПРИМЕЧАНИЕ В сфере выпуска микропроцессоров с фирмой Intel постоянно конкурирует фирма AMD. Микропроцессоры фирмы AMD выпуска 2003- 2004 годов (Athlon ХР, Athlon 64) мало в чем уступают процессорам Pentium 4, а в некоторых режимах работы даже превосходят последние по быстродействию. Но, как и прежде, МП AMD сильнее греются (их штатная температура - 55-80 °С, в то время, как у МП Pentium 30-60 °С), поэтому для них необходим мощный вентилятор и надежная система защиты от катастрофического перегрева. Все МП Pentium такой системой снабжены: у них имеется датчик, который при превышении температуры 120-130 °С мгновенно выключает МП, спасая его от «сгорания». У МП Pentium есть еще более совершенная система - Thermal Monitor, принудительно замедляющая работу микропроцессора при превышении допустимой температуры