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

Этот процессор мог адресовать 64 Кбайта памяти и работал на тактовой частоте 2 МГц. Он разошелся миллионными тиражами и заложил основу во всю дальнейшую архитектуру процессоров.

Первое поколение процессоров. (процессоры 8086 и 8088 и математический сопроцессор 8087) Очередной революционный процессор Intel - i8086 - появился в 1978 г

14 16-разрядных регистров: 4 регистра общего назначения (AX, BX, CX, DX), 2 индексных регистра (SI, DI), 2 указательных (BP, SP), 4 сегментных регистра (CS, SS, DS, ES), программный счётчик или указатель команды (IP) и регистр флагов (FLAGS, включает в себя 9 флагов). Основные характеристики:

16-разрядная шина данных

сегментная адресация памяти

размер шины адреса был увеличен с 16 бит до 20 бит, что позволило адресовать 1 Мбайт памяти. Шина данных была 16-разрядной. Однако в микропроцессоре шина данных и шина адреса использовали одни и те же контакты на корпусе. Это привело к тому, что нельзя было одновременно подавать на системную шину адреса и данные. Мультиплексирование адресов и данных во времени сокращало число контактов корпуса до 20, но и замедляло скорость передачи данных.

29 тыс. транзисторов (технология 3 мкм)

система прерываний

тактовая частота 4,77-10 МГц.

на выполнение каждой инструкции уходило в среднем по 12 тактов процессорного ядра.

Более дешевый вариант i8086 - это процессор i8088 - имеет 8 разрядную шину данных. Процессоры i8086/88 могли работать с внешним математическим сопроцессором i8087 (устанавливался в специальный разъем на плате). i8086 унаследовал большую часть множества команд 8080 и Z80. Все современные процессоры (в обязательном порядке) поддерживают набор команд процессора i8086, совместимость "снизу-вверх" - любую программу, написанную для i8086, можно запустить на Pentium 4 или Athlon XP.

Год выпуска: 1978

Второе поколение процессоров. (80286 с сопроцессором 80287)

Отличия:

тактовая частота 6.0 МГц - 12.5 МГц.

К 14 регистрам процессора Intel 8086 были добавлены 11 новых регистров, необходимых для реализации защищённого режима и других функций: регистр слова состояния машины, 16 бит (MSW); регистр задачи, 16 бит (TR); регистры дескрипторной таблицы, один 64-битный и два 40-битных (GDTR, IDTR, LDTR) и 6 регистров расширения сегментных регистров, 48 бит.

защищенный режим, позволяющий использовать виртуальную память размером до 1 Гбайт для каждой задачи, пользуясь адресуемой физической памятью в пределах 16 Мбайт. Защищенный режим является основой для построения многозадачных операционных систем (ОС), в которых система привилегий жестко регламентирует взаимоотношения задач с памятью, ОС и друг с другом. Защищенный режим 80286 не нашел массового применения - эти процессоры, в основном, использовались как "очень" быстрые 8086 (то есть в режиме виртуального 8086)

расширенная шина 24 бита (16 Мбайт физической памяти)

134 тыс. транзисторов (технология 1,5 мкм)

на выполнение инструкции уходило в среднем по 4,5 такта.

производительность 286 повысилась не только за счет роста тактовой частоты, но и за счет значительного усовершенствования конвейера. Во втором поколении появились новые инструкции: системные (для обслуживания механизмов защищенного режима) и несколько прикладных (в том числе для блочного ввода/вывода).

Наличие защищенного режима не отменяет возможности работы в реальном режиме 8086, и эта возможность сохраняется во всех последующих поколениях (дань совместимости с программным обеспечением, включая и MS DOS).

Год выпуска: 1982 Тактовая частота: 6.0 МГц - 12.5 МГц.

Третье поколение процессоров. (386/387 с суффиксами DX и SX, определяющими разрядность внешней шины). По-настоящему развитие многозадачности началось после выхода микропроцессора i80386 в 1985 г. Это первый 32-разрядный процессор, который положил начало семейству процессоров IA-32 (32-bit Intel Architecture). Кроме расширения диапазона непосредственно представляемых величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне 0-65535 или от - 32767 до +32767, а 32 бита - более чем 4 миллиарда) увеличился и объем адресуемой памяти (до 4 Гбайт реальной, 64 Тбайт виртуальной).

улучшенная поддержка многозадачности. Поддержка многозадачности в процессорах x86 обозначает аппаратную поддержку "прозрачного" переключения с одной обычной программы (задачи) на другую. При переключении процессор сохраняет свое состояние (включая адрес следующей команды, селекторы сегментов) в сегменте состояния (TSS; сегмент памяти, с селектором из регистра TR) одной задачи, после чего восстанавливает состояние другой задачи из её сегмента состояния.

тактовая частота 40 МГц.

добавление 32-разрядных регистров

страничное преобразование. В i386 был введён новый механизм управления памятью - адресное пространство, к которому обращается процессор за данными и кодом, в котором располагаются сегменты (названное линейным адресным пространством) может не соответствовать реальной физической памяти. Физическая память (включая буферы внешних устройств, например видеобуфер) может быть отображена в линейное адресное пространство произвольным образом - каждая страница (размером 4 килобайта) линейного пространства может быть переадресована на любую страницу физической памяти через каталог страниц, располагающийся в оперативной памяти (адрес каталога страниц определяется значением нового регистра управления "CR3").

введен новый режим работы процессора - виртуальный 8086 процессор

страничная адресация памяти (стало возможно организовать виртуальную память)

275 тыс. транзисторов (технология 1мкм)

введена концепция параллельного функционирования внутренних устройств процессора: шинный интерфейс, блок предварительной выборки, блок декодирования команд, исполнительный блок, блок сегментации, блок страничной адресации.

На таком процессоре стала "расцветать" система MS Windows - сначала оболочка, а потом и операционная система. В плане организации исполнения инструкций существенных изменений, повлекших за собой сокращение числа тактов на инструкцию, не произошло - те же средние 4,5 такта.

Год выпуска: 1985 Тактовая частота: 16 МГц - 33 МГц

Четвертое поколение процессоров. (486, опять DX и SX) в видимую архитектурную модель больших изменений внесено не было, но зато был принят ряд мер для повышения производительности.

частота 25 МГц - 100 МГц

в этих процессорах значительно усложнен исполнительный конвейер - основные операции выполняет RISC-ядро, "задания" для которого готовят из входных CISC-инструкций х86. => конвейеризации вычислений (5 ступеней)

такой конвейер стал способным выполнять инструкцию в среднем за два такта. Конечно, каждая инструкция проходит через весь конвейер процессора за гораздо большее количество тактов, но темп выполнения в потоке именно таков

производительность конвейера процессора оторвалась от возможностей доставки инструкций и данных из оперативной памяти => два вида кэш-памяти - внутренней 8 Кбайт (L1), работающей на частоте процессора, и внешней (L2).

поддержка многопроцессорного режима работы

1,2 млн. транзисторов (технология 1мкм)

начиная с процессора i80486, все последующие модели процессоров Intel поддерживают различные концепции энергосбережения

Год выпуска: 1989 Тактовая частота: 25 МГц - 100 МГц

Пятое поколение процессоров. (процессор Pentium у Intel знаменитый своей ошибкой блока с плавающей точкой и К5 у AMD)

тактовая частота 60МГц - 233МГц

к внутреннему кэшу команд добавили 8 Кбайт для данных

раздельное кеширование программного кода и данных. В процессорах Pentium используется кеш-память первого уровня (кеш L1) объёмом 16 Кб, разделённая на 2 сегмента: 8 Кб для данных и 8 Кб для инструкций. Это улучшает производительность и позволяет делать двойное кеширование доступным чаще, чем это было возможно раньше. Кроме того, изменён механизм кеширования.

64-битная шина данных позволяющая процессору Pentium за один шинный цикл обмениваться вдвое большим объёмом данных с оперативной памятью, чем 486 (при одинаковой тактовой частоте)

суперскалярную архитектура. Суперскалярность означает наличие более одного конвейера. У процессоров пятого поколения после блоков предварительной выборки и первой стадии декодирования инструкций имеется два конвейера, U-конвейер и V-конвейер. Каждый из этих конвейеров имеет ступени окончательного декодирования, исполнения инструкций и буфер записи результатов. U-конвейер "умеет" все, у V-конвейера возможности немного скромнее.

Процессор с такой архитектурой может одновременно "выпускать" до двух выполненных инструкций, но в среднем получается 1 такт на инструкцию. Не все инструкции могут выполняться парно, эффективность использования конвейеров (коэффициент их загрузки или простоя) зависит от программного кода - есть широкие возможности оптимизации. Реализована технология предсказания переходов (branch prediction). Внутренние шины стали 128 и 256 бит, внешняя шина данных 64 бит.

Год выпуска: 1993 Тактовая частота: 60МГц - 233МГц

Шестое поколение процессоров. (Pentium Pro) Можно охарактеризовать по следующим особенностям:

тактовая частота 150 МГц - 200 МГц

кэш L1 16 Кбайт на кристалле процессора; кэш L2 256/512 Кбайт внешний на материнской плате

содержит около 5,5 миллиона транзисторов (технология изготовления 0,35 микрон (для процессоров 120 МГц и ниже 0,6 микрон))

динамическое исполнение, под которым понимается исполнение инструкций не в том порядке (out of order), как это предполагается программным кодом, а в том, как "удобно" процессору. Инструкции, поступающие на конвейер, разбиваются на простейшие микрооперации, которые далее выполняются суперскалярным процессорным ядром в порядке, удобном процессору. Ядро процессора содержит несколько конвейеров, к которым подключаются исполнительные устройства целочисленных вычислений, обращений к памяти, предсказания переходов и вычислений с плавающей точкой. Несколько различных исполнительных устройств могут объединяться на одном конвейере.

Результаты "беспорядочно" выполняемых микроопераций собираются в переупорядочивающем буфере и в корректном порядке записываются в память (и порты ввода/вывода). Чтобы можно было одновременно выполнять разные инструкции с одними и теми же программно-адресуемыми регистрами, внутри процессора выполняется аппаратное переименование регистров (их у процессора больше, чем доступных по программной модели). Конечно, при этом учитывается и связь по данным, которая сковывает "беспорядочные" параллельные исполнения, даже пользуясь дополнительными регистрами. В процессорах 6-го поколения реализовано исполнение по предположению: процессор пытается исполнить инструкцию, последующую (по его мнению) за переходом еще до самого перехода. В итоге всех этих ухищрений среднее число тактов на инструкцию у Pentium Pro сократилось до 0,5 такта. В систему команд были введены новые инструкции, позволяющие писать более эффективные коды (с точки зрения минимизации ветвлений).

В это время помимо Intel, можно отметить еще двух производителей процессоров это Cyrix и AMD, которые совместно с IBM разрабатывают стандарт "Р-рейтинг" для обозначения производительности процессора. "Р-рейтинг" любого процессора равен величине тактовой частоты процессора Intel Pentium, показавший такой же или более высокий результат в абсолютно идентичной конфигурации (замеры производились при на тесте Winstone 96). Конечно, кроме рейтинга, эти две корпорации выпустили еще и процессоры, которые по соотношению цена/возможности превосходили процессоры Intel.

AMD выпускает процессор К5-PR133 (реально работающий на частоте 116,7 МГц). Этот процессор имеет встроенный кэш 24 Кбайт, технология изготовления 0,35 микрон, около 4,3 миллионов транзисторов. Процессоры CYRIX (и идентичные им с лейблом IBM) имеют официальные названия 6х86 Р120+, 6х86 Р133+, 6х86 Р150+, 6х86 Р166+, 6х86 Р200+. Откуда "+"? Дело в том, что при выполнении 32-разрядных тестов процессоры К5 и 6х86 показывают примерно на 11% большую производительность на соответствующем процессоре Pentium. Особенности 6х86: кэш 16 Кбайт, дополнительный кэш для команд 256 б; технология изготовления 0,5 микрон (0,65 для Р120+); количество транзисторов около 3 млн.

Год выпуска: 1995 Тактовая частота: 150 МГц - 200 МГц

Седьмое поколение процессоров. (Pentium 4)

Процессор Pentium 4 выпущенный в ноябре 2000 года, представляет собой совершенно новое поколение процессоров. Если вместо имени ему присвоить порядковый номер, это будет процессор 786, так как он является представителем совершенно другого поколения, отличающегося от предыдущих процессоров.

Далее представлены основные технические характеристики процессора Pentium 4.

¦ Тактовая частота процессора находится в диапазоне 1,3-1,7 ГГц и выше.

¦ Количество транзисторов - 42 млн, 0,18-микронная технология, площадь кристал­ла - 217 мм2 (Willamette).

¦ Количество транзисторов - 55 млн, 0,13-микронная технология, площадь кристал­ла - 131 мм2 (Northwood).

¦ Программная совместимость с предыдущими 32-разрядными процессорами Intel.

¦ Тактовая частота шины процессора 400 или 533 МГц.

¦ Арифметико-логические устройства (АЛУ) работают на удвоенной частоте ядра процессора.

¦ Гиперконвейерная технология (20 ступеней).

¦ Нестандартное выполнение инструкций.

¦ Расширенное прогнозирование ветвления.

¦ Кэш-память первого уровня объемом 20 Кбайт (кэш контроля выполнения команд объемом 12 Кбайт, плюс 8 Кбайт кэша данных).

¦ Ассоциативная восьмиуровневая 128-разрядная кэш-память второго уровня объемом 256 Кбайт, работающая на частоте процессора.

¦ Кэш-память второго уровня позволяет обрабатывать до 4 Гбайт ОЗУ и поддерживает код корректировки ошибок (ЕСС).

¦ 144 новых инструкций SSE2.

¦ Расширенный модуль выполнения операций с плавающей запятой.

¦ Несколько режимов понижения потребления мощности.

Компания Intel отказалась от использования римских цифр для обозначения процессоров, отдав предпочтение стандартной арабской нумерации. Pentium 4 представляет новую архитектуру NetBurst. Гиперконвейерная технология позволяет удвоить по сравнению с Pentium III интенсивность конвейерной обработки инструкций, что связано с уменьшением величины шага выполняемых операций. Это также дает возможность ис­пользовать более высокие тактовые частоты. Механизм быстрого выполнения позволяет двум целочисленным арифметико-логическим устройствам (АЛУ) работать с удвоенной частотой процессора, что делает возможным выполнение инструкций в течение полутакта. Системная шина с рабочей частотой 400 МГц представляет собой учетверенную шину, взаимодействующую с системным тактовым генератором, частота которого 100 МГц, что позволяет передавать данные четыре раза за один такт. Кэш-памятью контроля выполнения команд является высокопроизводительный кэш первого уровня, содержащий примерно 12 Кбайт декодированных микроопераций. Это позволяет удалить дешифратор команд из основного выполняемого конвейера, что повышает производительность процессора.

Из всех перечисленных компонентов, самый большой интерес вызывает быстродействующая шина процессора. В техническом аспекте шина процессора представляет собой учетверенную шину подкачки с частотой 100/133 МГц, передающую данные четыре раза за один такт (4х) для достижения рабочей частоты 400/533 МГц. Ширина шины равна 64 разрядам (т.е.64 бит или 8 байт), следовательно, ее пропускная способность равна 3 200 или 4 266 Мбайт/с. Это соответствует быстродействию сдвоенного канала RDRAM - по 1 600 или 2 133 Мбайт/с на каждый канал, т.е.3 200 или 4 266 Мбайт/с в целом. Ис­пользование сдвоенного канала RDRAM подразумевает добавление согласованных пар модулей RIMM. Сдвоенные модули данных PC 1600 DDR также должны соответствовать этой пропускной способности, что будет учитываться в будущих наборах микросхем.

В 20-уровневой конвейерной внутренней архитектуре отдельные инструкции разбиваются на несколько подуровней, что было характерно, например, для процессора RISC. К сожалению, подобная технология приводит к увеличению числа циклов, требующихся для выполнения инструкций, если они, конечно, не оптимизированы для данного процессора. Эталонные тесты ранних версий, выполняемые с имеющимся программным обеспечением, показали, что при выполнении определенных задач процессоры Pentium III или AMD Athlon находятся примерно на одном уровне, а в чем-то даже и превосходят Pentium 4. Но со временем, приложения модифицировались непосредственно для работы с конвейерной архитектурой Pentium 4.

В первых конструкциях Pentium 4 использовалось гнездо Socket 423, содержащее 423 вывода, расположенных по схеме 39x39 SPGA. В более поздних версиях исполь­зуется гнездо Socket 478, содержащее дополнительные выводы, предназначенные для будущих более быстрых вариантов микросхемы. Выбор необходимого напряжения вы­полняется с помощью модуля автоматического регулятора напряжения, установленного на системной плате и соединенного с разъемом.

Год выпуска: 2000. Тактовая частота: 1300-1400 МГц.

Восьмое поколение процессоров (Itanium и Itanium 2)

Процессор Itanium был представлен в мае 2001. Если бы Intel все еще использовала числа для наименования процессоров, то Itanium на полном основании получил бы название 886, как процессор восьмого поколения семейства Intel. Он представляет собой наиболее значительное архитектурное достижение со времен процессора 386.

Itanium является первым процессором семейства IA-64 (64-разрядная архитектура Intel), содержащим новаторские, повышающие производительность системы средства, к числу которых относятся предсказание и упреждающее выполнение.

Основные технические характеристики процессора Itanium приведены ниже.

¦ Тактовая частота процессора - 733/800 МГц и 1 ГГц.

¦ Три уровня интегрированной кэш-памяти:

унифицированная встроенная кэш-память третьего уровня объемом 2 или 4 Мбайт, работающая на полной частоте ядра, содержащая интегрированную 128-разрядную шину кэша;

унифицированная встроенная кэш-память второго уровня объемом 96 Кбайт, работающая на полной частоте ядра;

сегментированная кэш-память первого уровня объемом 32 Кбайт (16 Кбайт кэш-память инструкций/16 Кбайт кэш-память данных).

¦ 64-разрядная (плюс 8 разрядов для выполнения ЕСС) шина процессора с тактовой частотой 266 МГц и пропускной способностью 2,1 Гбайт/с (только процессоры Itanium).

¦ 128-разрядная (плюс 8 разрядов для выполнения ЕСС) шина процессора с тактовой частотой 400 МГц и пропускной способностью 6,4 Гбайт/с (только процессоры Itanium 2).

¦ 25 миллионов транзисторов, плюс к этому до 300 млн транзисторов в кэш-памяти третьего уровня.

¦ Количество транзисторов - 221 млн, включая встроенную кэш-память третьего уровня (только Itanium 2).

¦ Адресация до 16 Тбайт (терабайт) физической памяти (44-разрядная шина адреса).

¦ Полная совместимость с 32-разрядными инструкциями аппаратного обеспечения.

¦ Технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing), позволяющая выполнять до 20 операций за один такт.

¦ Два целочисленных модуля и два блока памяти, позволяющие выполнять до четырех инструкций в течение одного такта.

¦ Два модуля FMAC (Floating-point Multiply Accumulate) с 82-разрядными операнда­ми.

¦ Каждый модуль FMAC позволяет выполнить до двух операций с плавающей запятой в течение одного такта.

¦ Два дополнительных модуля ММХ, каждый из которых позволяет выполнить до двух операций FP с обычной точностью.

¦ В целом в течение одного такта может быть выполнено до восьми операций FP (Floating-point).

¦ 128 регистров для работы с целыми числами, 128 регистров с плавающей запятой, 8 регистров разветвления, 64 регистра предиката.

¦ Корпус размером 3x5 дюймов (примерно 75x125 мм) содержит процессор и кэш­память третьего уровня объемом 4 или 2 Мбайт соответственно.

¦ Специализированный силовой разъем корпуса улучшает целостность сигнала.

Intel и Hewlett-Packard начали разработку процессора Р7 еще в 1994 году. В октябре 1997 года, через три года после начала работы над созданием новой архитектуры микропроцессора, эти компании официально объявили некоторые технические данные нового процессора.

Itanium - первый микропроцессор, в основу которого положена 64-разрядная архитектура IA-64. Это совершенно новая архитектура процессора, в которой используется концепция VLIW (Very Long Instruction Words - очень длинные командные слова), предсказание команд, удаление перехода, упреждающая загрузка и другие усовершенствованные методы, позволяющие увеличить параллелизм программного кода.

Существует еще одна новая архитектура, которую Intel называет EPIC (Explicitly Pa­rallel Instruction Computing - команды явно параллельных вычислений); они дают указание процессору выполнять одновременно несколько команд. В Itanium в 128-разрядном слове закодированы три команды, каждая из них будет содержать еще несколько дополнительных битов, в отличие от 32-разрядных команд. Дополнительные биты позволяют адресовать большее количество регистров и используются для управления процедурой параллельного выполнения команд в процессоре. Все это упрощает проектирование процессоров со многими модулями для параллельного выполнения команд и позволяет повысить их тактовую частоту. Другими словами, помимо способности одновременно выполнять несколько отдельных команд внутри процессора, Itanium может связываться с другими микросхемами и создавать среду параллельной обработки.

Помимо новых возможностей и абсолютно новой 64-разрядной системы команд, Intel и Hewlett-Packard гарантируют полную совместимость "вниз" от Itanium до нынешнего 32-разрядного программного обеспечения Intel х86 и программного обеспечения PA-RISC компании Hewlett-Packard. В Itanium объединены три различных процессора в одном, а это значит, что Itanium сможет одновременно выполнять усовершенствованное, явно "параллельное" программное обеспечение с архитектурами IA-64, Windows (с архитектурой IA-32) и программы HP-RISC UNIX. Таким образом, Itanium поддерживает 64-разрядные команды при сохранении совместимости с 32-разрядными приложениями.

Следует заметить, что работа с 32-разрядными приложениями не является собственным режимом данного процессора, поэтому эффективность выполнения подобных операций будет ниже, чем при использовании процессоров Pentium 4 или более ранних микросхем.

Первые процессоры Itanium и Itanium 2 создавались по 0,18-микронной технологии; последуущие последующие версии создавались уже по 0,13-микронная технология, что позволило повысить рабочую частоту процессора и увеличить объем кэш-памяти.

В процессоре Itanium используется новый тип корпуса Pin Array Cartridge (РАС). Этот корпус содержит кэш-память третьего уровня и подключается к разъему РАС418 (418 выводов), установленный на системной плате. Размеры корпуса составляют примерно 75x125 мм, вес - около 170 г. В нижней части корпуса находится металлическая пластина, предназначенная для рассеивания тепла (рис.3.44). Корпус Itanium имеет четыре фиксатора, используемых при установке процессора в системную плату.

Itanium содержит три уровня кэш-памяти. Кэш-память первого уровня связана с исполнительным модулем и поддерживается встроенной кэш-памятью второго уровня. Кэш­память третьего уровня объемом 2 или 4 Мбайт размещена на отдельном кристалле в корпусе процессора.

Процессор Itanium 2, имеющий кодовое название McKinley, был официально пред­ставлен в июне 2002 года. Он имеет более высокую пропускную способность шины процессора (6,4 Гбайт/с), более высокую тактовую частоту и встроенную в кристалл процессора кэш-память третьего уровня с удвоенным объемом (по сравнению с ориги­нальным процессором Itanium). Благодаря этому общая скорость обработки данных этого процессора увеличилась примерно в два раза. Следующим после McKinley станет про­цессор Madison, представляющий собой версию Itanium 2, созданную по 0,13-микронной технологии.

Год выпуска: 2002. Тактовая частота: 773 Мгц - 1.33 Ггц