Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

"КОЛЛЕДЖ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ"

РЕФЕРАТ

Эволюция микропроцессоров. История развития

Выполнил студент

группы 232

Власов А.С.

Преподаватель: Буренина Наталья Васильевна

Санкт-Петербург 2015



Содержание

1. Что такое микропроцессор

2. Эволюция процессоров. 8-битная эпоха

3. Эволюция процессоров. 16-битная эпоха

4. Эволюция процессоров. 32-битные процессоры

5. Эволюция процессоров. Архитектура RISC и развитие индустрии в 1990-е годы

6. Эволюция процессоров. Современность

Источники



1. Что такое микропроцессор

Микропроцессор -- это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

1. чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

2. чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

3. прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

В состав микропроцессора входят следующие устройства.

1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:

A. формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;

B. формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;

C. получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины.

Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:

1. внутренний интерфейс микропроцессора;

2. буферные запоминающие регистры;

3. схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода -- это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору , другое устройство.)

К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с МП 80486 DX, включают математический сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие компьютера.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.

Прерывание -- это временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.

2. Эволюция процессоров. 8-битная эпоха

В 1960-х годах получила свое развитие технология изготовления интегральных схем, что позволило создавать микрочипы с расположенными на них транзисторами. Сам процессор состоял из нескольких таких схем. С течением времени технологии позволили размещать все большее количество транзисторов на кристалле, в связи с чем количество используемых в CPU интегральных схем сокращалось.

Тем не менее архитектура процессоров была всё ещё очень и очень далека от того, что мы видим сегодня. Но выход в 1964 году IBM System/360 немного приблизил дизайн тогдашних компьютеров и CPU к современному -- прежде всего в плане работы с программным обеспечением. Дело в том, что до появления этого компьютера все системы и процессоры работали лишь с тем программным кодом, который был написан специально для них. В своих ЭВМ компания IBM впервые использовала иную философию: вся линейка разных по производительности CPU поддерживала один и тот же набор инструкций, что позволяло писать ПО, которое работало бы под управлением любой модификации System/360.

По своей архитектуре процессор IBM System/360 являлся CISC-решением. Все интегральные схемы делятся на две большие категории: RISC (Reduced Instruction Set Computer) и CISC (Complex Instruction Set Computer). CISC работают со сложными инструкциями, а RISC -- с упрощенными. С точки зрения современных достижений, сложность инструкций для CISC-процессоров заключается в том, что их длина не ограничена. Вдобавок к этому они могут содержать сразу несколько арифметических действий. Однако в то время дизайн RISC не существовал в принципе, и IBM, а также другие производители использовали CISC-архитектуру вплоть до 1980-х годов. микропроцессор архитектура компьютерный

У System/360 были и некоторые другие особенности. Например, в компьютере впервые был реализован 8-битный байт -- до этого объем байта составлял 6 бит. Также компьютер умел работать с виртуальной памятью.

Несмотря на высокую стоимость, System/360 стал относительно успешным на рынке. В первый месяц американская компания получила более 1000 заказов на IBM System/360 и еще одну тысячу в последующие четыре месяца. Для того времени цифры более чем впечатляющие. Компьютеры System/360 также активно использовались агентством NASA для управления космическими полетами в ходе программы «Аполлон».

IBM уделила очень много внимания данному аспекту. Например, современные компьютеры линейки zSeries до сих пор поддерживают работу программного обеспечения, написанного для платформы System/360.

Intel 4004

1971 год вошел в историю как год появления первых микропроцессоров. Одной из первых заявила о себе тогда еще только-только основанная компания Intel, выпустив на рынок модель 4004 -- первый в мире коммерчески доступный однокристальный процессор.

Компания Intel была основана в 1968 году инженерами Робертом Нойс и Гордоном Мур, которые до того момента трудились на благо компании Fairchild Semiconductor, и Эндрю Гроувом. Кстати, именно Гордон Мур опубликовал всем известный «закон Мура», согласно которому количество транзисторов в процессоре удваивается каждый год.

Уже в 1969-ом, спустя всего лишь год после основания, компания Intel получила заказ от японской компании Nippon Calculating Machine (Busicon Corp.) на производство 12 микросхем для высокопроизводительных настольных калькуляторов. Первоначальный дизайн микросхем был предложен самой Nippon. Однако такая архитектура не приглянулась инженерам Intel, и сотрудник американской компании Тед Хофф предложил сократить число микросхем до четырех за счет использования универсального центрального процессора, который бы отвечал за арифметические и логические функции. Помимо центрального процессора, архитектура микросхем включала оперативную память для хранения данных пользователя, а также ПЗУ для хранения программного обеспечения. После утверждения окончательной структуры микросхем продолжилась работа над дизайном микропроцессора.

В апреле 1970 года к команде инженеров Intel присоединился итальянский физик Федерико Фаджин, который до этого также работал в компании Fairchild. У него был большой опыт работы в области логического проектирования компьютеров и технологий МОП (металл-оксид-полупроводник) с кремниевыми затворами. Именно благодаря вкладу Федерико инженерам Intel удалось объединить все микросхемы в один чип. Чип производился по 10-мкм техпроцессу, содержал 2300 транзисторов и работал на частоте 740 кГц, что означало возможность выполнения 92 600 операций в секунду.

Спустя три года после выхода процессора Intel 4004 увидел свет его преемник -- 4-битный Intel 4040.

4040 содержал 3000 транзисторов (на 700 больше, чем у 4004). Форм-фактор процессора остался прежним, однако вместо 16-пинового стали использовать 24-пиновый DIP. Среди улучшений 4040 стоит отметить поддержку 14 новых команд, увеличенную до 7 уровней глубину стека, а также поддержку прерываний. «Сороковой» использовался в основном в тестовых устройствах и управлении оборудованием.

Intel 8080

Intel 8080 был представлен в апреле 1974 года. Прежде всего, нужно отметить, что производство процессора перевели на новый 6-мкм техпроцесс. Более того, при производстве использовалась технология N-МОП (n-канальные транзисторы) -- в отличие от 8008, который производился с помощью P-МОП-логики. Использование нового техпроцесса позволило разместить на кристалле 6000 транзисторов. В качестве форм-фактора использовался DIP с 40 контактами.

Модель 8080 получила более богатый набор команд, который включал 16 команд передачи данных, 31 команду для их обработки, 28 команд для перехода с прямой адресацией, а также 5 команд управления. Тактовая частота процессора составила 2 МГц -- в 4 раза больше, чем у предшественника. Также 8080 имел 16-разрядную адресную шину, которая позволяла производить адресацию 64 Кбайт памяти.

Процессор 8080 в своей первой ревизии содержал серьезную ошибку, которая могла приводить к зависанию. Ошибка была исправлена в обновленной ревизии чипа, получившей название 8080А и выпущенной только спустя полгода.

Благодаря высокой производительности процессор 8080 стал очень популярным. Его применяли даже в системах управления уличным освещением и светофорами. Однако в основном его использовали в компьютерных системах, самой известной из которых являлась разработка компании MITS Altair-8800, представленная в 1975 году.

Интересно, что существовала и отечественная копия процессора 8080. Она была разработана Киевским НИИ микроприборов и носила название КР580ВМ80А. Было выпущено несколько вариантов этого процессора, в том числе и для применения в военных объектах.

В 1976 году появилась обновленная версия чипа 8080, получившая индекс 8085. Новый кристалл изготавливался по 3 мкм техпроцессу, что позволило разместить на чипе 6500 транзисторов. Максимальная тактовая частота процессора составляла 6 МГц. Набор поддерживаемых инструкций содержал 79 команд, среди которых были две новые команды для управления прерываниями.

Zilog Z80

Главным событием после выхода 8080 стало увольнение Федерико Фаджина. Итальянец не был согласен с внутренней политикой компании и решил уйти. Вместе с бывшим менеджером Intel Ральфом Унгерманном и японским инженером Масатоши Шимой он основал компанию Zilog. Сразу после этого началась разработка нового процессора, похожего по своей архитектуре на 8080. Так, в июле 1976 года появился процессор Zilog Z80, бинарно совместимый с 8080.

В сравнении с Intel 8080 Zilog Z80 имел много улучшений, например, расширенный набор команд, новые регистры и инструкции для них, новые режимы прерываний, два отдельных блока регистров, а также встроенную схему регенерации динамической памяти. Кроме этого, стоимость Z80 была намного ниже, чем 8080.

Что касается технических характеристик, то процессор производился по 3-мкм технологическим нормам с применением технологий N-МОП и КМОП. Z80 содержал 8500 транзисторов, а его площадь равнялась 22,54 мм². Тактовая частота Z80 варьировалась в пределах от 2,5 до 8 МГц. Разрядность шины данных составляла 8 бит. Процессор обладал 16-битной адресной шиной, а объем адресуемой памяти составлял 64 Кбайт. Z80 производился в нескольких форм-факторах: DIP40 или 44-контактных PLCC и PQFP.

ZX Spectrum

Отдельного упоминания достойно устройство под названием ZX Spectrum, несмотря на то, что наше сегодняшнее повествование не касается решений 80-х годов прошлого столетия. Компьютер разрабатывался британской компанией Sinclair Research и был выпущен в 1982 году. ZX Spectrum был далеко не первой разработкой SR. В начале 1970-х годов глава компании и ее главный инженер Клайв Синклейр (Clive Sinclair) занимались тем, что продавали радиодетали по почте. Ближе к середине 70-х Клайв создал карманный калькулятор, который стал первым успешным изобретением фирмы. Отметим, что в компании не занимались непосредственно разработкой калькулятора. Им удалось найти удачное сочетание дизайна, функциональности и стоимости, благодаря которому устройство отлично продавалось.

В отличие от Западной Европы, где наряду с ZX Spectrum отлично продавались другие компьютеры (те же Atari и Commodore), в СССР устройство Sinclair было единоличным лидером продаж. Почему? Причина прежде всего крылась в низкой стоимости «Спектрума»: компьютер не облагался пошлинами и по цене был доступен многим советским гражданам. Устройства Atari и Commodore проделывали огромный путь, прежде чем попасть на прилавки советских магазинов, а их цена была значительно выше в сравнении с ZX Spectrum. Кроме этого, выяснилось, что большинство деталей «Спектрума» при необходимости можно было заменить отечественными. Даже «секретная» микросхема ULA была реализована на советских комплектующих. Как вы уже догадались, единственным незаменимым компонентом системы оставался лишь процессор Z80.

В итоге в СССР появилось множество клонов «Спектрума» с отечественными комплектующими: «Львов-48», «Москва-48», «Пентагон-48» и другие. К тому же добрая часть реплик была создана самими радиолюбителями, самостоятельно.



Motorola 6800

Компания Motorola активно продвигала свой процессор 6800. Разработка чипа началась в 1969 году под руководством инженера Тома Беннетта, и, так же, как и 8080, процессор Motorola был выпущен в 1974 году. Кристалл выпускался по 6-мкм техпроцессу, а его тактовая частота составляла те же 2 МГц. Интересно, что при производстве 6800 также использовалась технология N-МОП. В качестве форм-фактора использовался DIP40, а набор инструкций процессора содержал 78 команд. Отметим, что 6800 имел 16-битную адресную шину с прямой адресацией 64 Кбайт памяти.

Процессор использовался в огромном количестве персональных компьютеров. Среди них были и платы разработки MEK6800D2, SWTPC 6800, и компьютеры Ohio Scientific, Midwest Scientific и Smoke Signal Broadcasting, а также решение MITS Altair 680.

На базе решения Motorola были изготовлены несколько микроконтроллеров, которые использовались в промышленных роботах и некоторых персональных компьютерах. Например, чип 6801 включал в себя, помимо процессора, 2 Кбайт ПЗУ, 128 байт ОЗУ и поддерживал аппаратно реализованное умножение.

Как и Intel, Motorola предоставляла лицензии на производство клонов 6800 сторонним компаниям. Поэтому на рынке появились копии процессора от Freescale и Hitachi, поддерживавшие более богатый набор функций. Например, они работали с расширенным набором команд.

MOS Technology 6502

В 1974 году команда разработчиков процессора 6800 в полном составе присоединилась к компании MOS Technology. Сразу же началась работа над чипом, схожим по архитектуре с решением Motorola. И в 1975 году свет увидел процессор 6501.

Однако продажи были прекращены вскоре после его анонса. Причиной этого стал иск Motorola к MOS Technology из-за совместимости процессора 6501 с системами на базе 6800. Прошло еще несколько месяцев, прежде чем в продажу поступила обновленная версия устройства MOS Technology с индексом 6502.

Характеристики этого чипа были намного скромнее таковых у Intel 8080 и Motorola 6800. «Пятьсот второй» представлял собой 8-разрядный процессор с 16-битной адресной шиной с поддержкой адресации до 64 Кбайт оперативной памяти. Его тактовая частота составляла всего 1 МГц, однако за счет доработанных способов адресации памяти и коротких циклов исполнения команд он не так сильно уступал в производительности конкурирующим решениям. Как и все процессоры 70-х годов, 6502 имел CISC-архитектуру, однако некоторые режимы адресации кристалла впоследствии были характерны для RISC-архитектур.

Итоги:

В первой половине 1970-х годов рынок процессоров только начинал набирать обороты. Компания Intel уже тогда выбиралась на ведущие позиции, Motorola пыталась не отставать, а MOS Technology на пару Zilog приятно удивляли и не давали первым двум расслабиться. Напомним, что сегодня мы поговорили лишь о 4- и 8-битных процессорах, однако во второй половине 1970-х годов появились интересные 16-битные архитектуры, о которых мы расскажем в следующий раз.

3. Эволюция процессоров. 16-битная эпоха

К концу 1970-х годов рынок 8-битных процессоров был переполнен. Хорошо продавались кристаллы компаний Intel, Motorola и MOS Technology. Особенно успешным считался чип Zilog Z80. К тому же в продаже были распространены клоны этих процессоров, которые зачастую отличались от оригинальных моделей значительно улучшенными характеристиками. Развитие 8-битных решений достигло своего предела, поэтому крупные производители сконцентрировались на разработке 16- и 32-битных процессоров.

Intel 8086/8088 и архитектура x86

Разработка 16-битного процессора Intel 8086 стартовала весной 1976 года. Тогда проект 8086 рассматривался лишь промежуточным этапом перед запуском 32-битного iAPX 432 одноименной архитектуры. На этот чип в компании возлагали очень большие надежды, но в то же время понимали, что существующие 8-битные процессоры не смогут обеспечить стабильное финансовое положение компании. К тому же для Intel было делом принципа сместить с лидирующих позиций Zilog Z80, разработанный, Федерико Фаджином. Поэтому было принято решение разработать временную замену iAPX 432 в лице процессора 8086.

Intel 8086 был примерно в 10 раз быстрее, чем модель с индексом 8080. Процессор стал первой реализацией системы команд x86 и одноименной архитектуры, которая впоследствии стала своего рода стандартом и используется в кристаллах AMD и Intel по сей день.

Однако в то время в Intel даже не подозревали, насколько успешным окажется их проект. Продажи 8086 шли очень вяло, и в 1979 году компанию покинул отец «восемьдесят шестого» Стивен Морс. Причина слабых продаж новых процессоров крылась в том, что для их работы были необходимы 16-разрядные микросхемы поддержки. На то время рынок был сосредоточен на производстве вспомогательных чипов для 8-битных процессоров, а 16-битные решения были весьма дорогим удовольствием. Поэтому большинство производителей всё ещё делали ставку на бюджетные 8-разрядные.

Чтобы решить проблему и увеличить продажи 8086, в Intel пошли интересным путем. В 1979 году они выпустили процессор 8088. «Восемьдесят восьмой» был полным аналогом кристалла 8086, за исключением измененной шины данных. Ее ширина была урезана с 16 бит до 8 бит, что позволяло ему работать с 8-разрядными микросхемами поддержки. Одним небольшим изменением Intel наконец создала почву для использования своих 16-битных процессоров.



Intel 80186 и 80286

Сразу после окончания разработки 8086 инженеры Intel принялись за новый проект -- процессор 80186. Этот чип базировался на той же архитектуре. Как известно, главным недостатком 8086 считалась необходимость использования многочисленных микросхем поддержки, поэтому в 80186 было решено отказаться от них.

Все необходимые компоненты были перенесены в сам процессор. Так, архитектура 80186 уже включала в себя два контроллера прямого доступа к памяти со схемами прерываний (DMA), дешифраторы адреса, трехканальный программируемый таймер-счетчик, генератор синхронизации и программируемый контроллер прерываний. Кроме этого, значительно расширилась система внутренних инструкций. Были добавлены дополнительные команды работы со стеком и портами ввода-выводы, появились новые арифметические команды и команды реализации языков высокого уровня.

Следующим шагом Intel стал запуск процессора с индексом 80286. Он разрабатывался параллельно с 80186, поэтому его тоже можно считать переработанным «восемьдесят шестым», на архитектуре которого он и базировался. 80286, так же как и 80186, был представлен в 1982 году. Если сравнивать архитектуры этих процессоров. Можно заметить, что в «двести восемьдесят шестом» отсутствовали некоторые встроенные модули, которые имелись в 80186. Помимо этого, 80286 отличался увеличенным количеством регистров. В кристалл были добавлены новые инструкции, а также защищенный режим работы.

При этом объем адресуемой памяти составлял 1 Мбайт. В защищенном режиме емкость адресного пространства могла составлять до 1 Гбайт за счет изменения механизма адресации памяти. Таким образом, в памяти хранилась лишь та часть программы, которая была необходима в данный момент. А в случае обращения к той части, которая не хранилась в памяти, операционная система приостанавливала программу, подгружала необходимые куски кода и продолжала ее выполнение. Несмотря на поддержку защищенного режима, процессором он использовался крайне редко и очень ограниченно.

Процессор 80286 стал первым в серии Intel, выпускающимся по 1,5-мкм технологическим нормам. Количество транзисторов процессора составляло 134 000 штук. Тактовая частота зависела от модели и равнялась 6 МГц, 8 МГц, 10 МГц или 12,5 МГц соответственно. Разрядность регистров и шины данных составляла 16 бит, а шина адреса являлась 24-разрядной. Как мы уже говорили, объем адресуемой памяти составлял 16 Мбайт, хотя в защищенном режиме можно было использовать до 1 Гбайт виртуальной памяти. Эффективность процессора была очень высока. При частоте 12,5 МГц модель 80286 выполняла не менее 2,66 миллионов операций в секунду. Для сравнения: 8086 с частотой 10 МГц имел производительность около 0,75 миллионов операций в секунду.

Motorola 68K

Линейка Motorola 68000 была представлена в 1979 году. В основе процессоров лежал дизайн CISC, а многие архитектурные особенности были позаимствованы у компьютера PDP-11. Motorola 68000 нельзя однозначно отнести к категории 16- или 32-разрядных устройств. Хоть кристалл и имел 32-битное ядро, он работал посредством 16-битных шин данных. У Motorola получился этакий гибрид.

Само собой, что процессор Motorola 68000 имел совершенно иную систему команд, нежели процессоры с архитектурой x86. Набор инструкций кристалла считается более «ортогональным», чем x86. Это означает, что операции и операнды можно свободно комбинировать, не обращая внимания на ограничения, связанные с совместимостью конкретной операции и набора операндов. Преимуществом такого подхода является легкость программирования на ассемблере Motorola 68000.

Что касается других технических характеристик, Motorola 68000 работал с 16-битной шиной данных и 24-разрядной шиной адресов. Его частота составляла от 8 МГц до 20 МГц, а количество транзисторов -- 68 000 штук. Чип производился в форм-факторе DIP с 64 контактами, но также существовали модели с разъемами LCC и PGA.

Спустя три года Motorola выпустила следующую модель линейки 68k -- процессор Motorola MC68010. Как ни странно, но кристалл оказался несовместим с моделью 68000 на программном уровне. При этом процессор не совершил никаких революций в дизайне. Главными отличиями «десятого» от кристалла с индексом 68000 стала работа с виртуальной памятью и добавление нового регистра VBR (vector base register).

Процессор Motorola 68000 применялся во многих компьютерах, однако многим он запомнился по первым компьютерам Apple.

DEC PDP-11

PDP-11 представлял собой первую в мире 16-битную систему. Он стал доступен значительно раньше, нежели IBM PC и Apple Macintosh, и поступил в продажу еще в 1970 году. Как и все процессоры того времени, PDP-11 базировался на архитектуре CISC. Его главным отличием стала «ортогональная» система команд, которая применялась впервые. Многие модификации PDP-11 не имели отдельной шины ввода-вывода, а только шину памяти Unibus.

Сама шина Unibus является первой компьютерной шиной. Она была полностью асинхронной, что позволяло одновременно подключать быстрые и медленные устройства.

Еще чуть позже в PDP-11 была добавлена шина для магнитных дисков и лент под названием Massbus. Также появились модели компьютера с интерфейсом Q-Bus, который представлял собой удешевленный вариант Unibus и использовал мультиплексирование, позволяющее линиям данных и адреса использовали одни и те же контакты. Функциональность шины практически не урезалась: Q-Bus поддерживала ввод-вывод с отображением на память (при обмене данными между любыми устройствами по шине используется один и тот же протокол), адресацию с точностью до байта и асинхронный протокол взаимодействия.

Техническая составляющая PDP-11 постоянно улучшалась, и со временем шины Unibus и Q-Bus банально стали ограничивать потенциал компьютера. Кроме этого, 16-битная адресация не позволяла создавать большие программы.

В итоге компьютер PDP-11 не выдержал конкуренции с только набирающими обороты компьютерами IBM PC.

WDC W65C816S и Zilog Z8000

Свои 16-битные процессоры выпустили компании Western Design Center (WDC) и Zilog. Первая представила свой кристалл W65C816S только в 1984 году. При этом процессор ничем не выделялся на фоне своих конкурентов. Более того, он, по сути, представлял собой лишь улучшенную версию 8-битного чипа WDC 65C02, который, в свою очередь, являлся клоном 8-битного кристалла MOS Technology 6502.

Процессор работа с 16-битными регистрами, поддерживал 24-битную адресацию памяти и 16-битный указатель стека, а также обладал расширенным набором инструкций. Несколько позже в W65C816S появилось статическое ядро, которое позволяло хранить данные регистра без получения тактового сигнала. Вкупе с использованием статической памяти с произвольным доступом это позволило процессору потреблять минимальное количество энергии при переходе в спящий режим.

Zilog Z8000

Компания Zilog также представила последователя успешного процессора Z80 -- 16-битный кристалл Z8000. Он не был обратно совместим с чипом «восьмидесятым» и в целом так и не смог повторить успех своего предшественника. Изначально были выпущены две версии процессора: Z8001 и Z8002. Их различия заключались лишь в том, что первый работал с адресацией до 8 Мбайт памяти, а второй -- лишь до 64 Кбайт. Несколько позже появились модели Z8003 и Z8004, которые умели работать с виртуальной памятью.

Все процессоры поддерживали ортогональную систему команд. Что касается тактовой частоты Z8000, то она варьировалась от 4 до 10 МГц.

Z8000 зачастую применялся в настольных UNIX-компьютерах, которые позволяли создавать настоящие многопользовательские системы. Также его можно было встретить в таких компьютерах, как Onyx C8000, Olivetti M и Commodore 900. Z8000 был представлен одновременно с процессорами Intel 8086 и Motorola 68000, но так и не смог составить им должной конкуренции.

Итоги:

Среди производителей процессоров определились два лидера: Intel и Motorola. В то же время IBM и Apple начали борьбу в сегменте готовых компьютеров. На этом недолгий период 16-битных процессоров завершился. Следующим шагом стал запуск 32-разрядных кристаллов.

4. Эволюция процессоров. 32-битные процессоры

Первая половина 1980-х годов прошла под знаком 16-битных процессоров, а среди производителей обособились две компании: Intel и Motorola. Вскоре они сосредоточились на выпуске 32-разрядных решений.

Intel i386

Спустя три года после выхода Intel 80286 свет увидел его последователь -- кристалл с индексом 80386. «Триста восемьдесят шестой» стал первым 32-разрядным процессором американской компании. Несмотря на то, что Intel 80386 всё ещё основывался на х86-архитектуре и сохранял обратную совместимость с «интеловскими» процессорами 8086 и 80286, он претерпел множество изменений. По некоторым оценкам, архитектура x86 не получала таких значительных изменений, еще долгие годы.

Первый i386 был представлен 13 октября 1985 года и имел тактовую частоту 16 МГц. Впоследствии данная модификация Процессора получила приставку DX -- модель стала именоваться 386DX сразу после запуска более дешевого 386SX в июне 1988 года. Приставка DX расшифровывалась как Double-word eXternal, что подчеркивало поддержку процессором 32-битной внешней шины данных. Тактовая частота 386DX с годами увеличивалась. Так, в 1987 году частота была повышена до 20 МГц, в 1988 году -- до 25 МГц. А в 1990 году в продажу поступила модификация с частотой 33 МГц. При всем при этом энергопотребление процессора оставалось на довольно низком уровне -- даже ниже, чем у «восемьдесят шестого». 386DX выпускался в нескольких корпусах: например, в PQFP-132 и в керамическом PGA-132.

Процессор i386 сохранил обратную совместимость со своими предшественниками 8086 и 80286. То есть он умеет выполнять абсолютно все программы, написанные под предыдущие процессоры, причем делает это эффективнее. Большей производительности удалось достичь за счет более высоких тактовых частот, а также меньшего количества тактов синхронизации при выполнении программ. Например, умножение двух 16-разрядных чисел выполнялось за 9-22 тактов. Преимущество i386 было налицо! Кроме этого, свою роль сыграл увеличенный буфер предвыборки команд, объем которого составлял 16 байт.

Главным нововведением i386 было то, что процессор стал 32-разрядным. Вся архитектура x86 была расширена до 32 бит. Регистры стали 32-битными, и, само собой, процессор получил поддержку набора 32-разрядных инструкций. Что немаловажно, был значительно доработан защищенный режим работы, который впервые появился в 80286. Принцип работы защищенного режима остался прежним, но режим получил три важных нововведения: снятие ограничения на размер сегмента, страничный режим адресации (Page Addressing) и режим виртуального 8086 (Virtual 8086 Mode). В защищенном режиме i386 использовал такую же архитектуру с сегментами памяти, как и в предыдущих решениях Intel. Однако, если раньше максимальный объем сегмента памяти составлял 64 Кбайт, что уже на протяжении долгого времени не устраивало программистов, то теперь он увеличился до 4 Гбайт. Это значительно облегчило разработку 32-разрядных приложений, которые могли выполняться без переключений между различными сегментами памяти. Также в i386 стало возможно быстрое переключение между реальным и защищенным режимами без имитирования перезагрузки процессора. Что касается режима виртуального 8086, то он не представляет собой ничего особенного.

Интересно, что при создании «триста восемьдесят шестого» была допущена довольно большая ошибка. Так, процессор некорректно выполнял операцию умножения 32-разрядных чисел. Однако на момент выпуска чипа еще не существовало 32-битных операционных систем и приложений, поэтому ошибку обнаружили лишь спустя 18 месяцев -- в апреле 1987 года. Все выпущенные, но не проданные процессоры Intel перемаркировала с пометкой «только для 16-битных операций». Все же выпущенные после обнаружения ошибки процессоры были маркированы двойным символом «сигма» (УУ).

Intel i486

При разработке процессоров следующего поколения инженеры Intel столкнулись с серьезными проблемами. Предыдущее поколение интегральных схем достигло потолка производительности, а размещать еще большее количество транзисторов на той же площади не позволяли используемые в то время технологии. Разработчикам ничего не оставалось, кроме как переработать существующую архитектуру, а точнее, дополнить ее. Так, процессоры i486 впервые обзавелись такими компонентами, как кэш-память, конвейер, встроенный сопроцессор и коэффициент умножения (множитель). Благодаря им новое поколение CPU стало быстрее своих предшественников.

Наличие кэш-памяти 1-го уровня значительно усложнило сам чип. Процессор i486 содержал почти 1,2 млн транзисторов. Около половины из них приходилось именно на кэш-память. Сложность чипа стала причиной его высокого энергопотребления и тепловыделения. Так, в системах, использовавших i486, впервые стало применяться активное охлаждение. Вдобавок к этому сложность процессора стала причиной увеличения брака при производстве.

Также в процессорах i486 появились вычислительные конвейеры, суть работы которых заключается в разделении обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий с сохранением результатов в конце каждой стадии. Что-то подобное было реализовано еще в Zilog Z8000. Конвейер i486 состоял из пяти ступеней: выборка, декодирование, декодирование адресов операндов, выполнение команды, запись результата выполнения инструкции. Появление конвейеров не только увеличило быстродействие, но и в какой-то степени упростило процессорную архитектуру. Также стоит отметить, что появление конвейеров благоприятно сказалось на разгонном потенциале CPU.

Сопроцессор (FPU, Floating-Point Unit, модуль операций с плавающей запятой), представлял собой модуль, помогающий выполнять математические операции над вещественными числами. В i486 он был встроен в сам чип. Однако не все кристаллы четвертого поколения имели интегрированный FPU.

Motorola 68020, 68030, 68040

В 1984 году, за несколько месяцев до появления i386, Motorola выпустила свой первый полностью 32-битный чип 68020. Процессор производился по 2-мкм техпроцессу и насчитывал 190 000 транзисторов. Его тактовая частота составляла от 12 до 33 МГц. В сравнении с предшественником 68010 новый процессор получил множество улучшений. Он работал с полноценными 32-битными внешними шинами данных и адресов, а также поддерживал новые инструкции и режимы адресации. При этом время выполнения некоторых инструкций было сокращено. Также 68020 стал первым процессором в линейке Motorola 68k со встроенной кэш-памятью первого уровня. Её объем составлял всего 256 байт. Увы, 68020 не имел встроенного FPU, хотя интерфейс кристалла обеспечивал поддержку до 8 сопроцессоров. Что касается производительности, то при частоте 33 МГц результат составил 5,36 млн инструкций в секунду.

(68030)

В 1987 году в продаже появился следующий процессор компании Motorola -- 68030. Он был полностью 32-разрядным. Шина данных в 68030 стала динамической, она могла функционировать в 8-, 16- и 32-битных режимах. Также появился синхронный режим работы шины данных и адресной шины, что увеличило скорость передачи данных. Производительность процессора возросла и за счет дополнительных 256 байт кэш-памяти первого уровня, сокращения времени доступа к кэшу инструкций и добавления блока управления памятью. Как и в случае с моделью 68020, 68030 не имел встроенного сопроцессора. Что касается технических характеристик, то они во многом совпадали с таковыми у предшественника. Тактовая частота процессора варьировалась от 16 МГц до 50 МГц. Во втором случае производительность составляла порядка 18 миллионов инструкций в секунду.

(68040)

С появлением встроенного сопроцессора и увеличением объема кэш-памяти чип значительно усложнился. При одинаковой частоте производительность модели 68040 превышала скорость CPU прошлых поколений более чем в четыре раза. При этом кристалл сильно грелся, причем разработчики так и не смогли решить эту проблему. Отсюда тактовая частота процессора никогда не превышала отметки 40 МГц, хотя у самой Motorola были планы по запуску 50-мегагерцовой версии.

По своим возможностям Motorola 68040 был сопоставим с Intel i486 и при одинаковой частоте даже превосходил его в скорости.

NEC V60, V70, V80

V60 не был полностью 32-битным -- ширина внешней шины данных составляла 16 бит, а адресная шина была 24-разрядной. Сам процессор производился по 1,5-мкм техпроцессу и насчитывал 375 тысяч транзисторов. Он использовал вычислительные конвейеры с шестью стадиями, а также имел встроенный сопроцессор и блок управления памятью. При тактовой частоте 16 МГц производительность V60 составляла 3,5 миллиона инструкций в секунду. Компания Sega использовала этот «камень» в своих аркадных платформах System 32 и Model 1.

(V70)

Спустя год NEC выпустила процессор V70. Новый чип умел работать с полноценными 32-битными шинами данных и адресов -- это и было его основным отличием от V60. Поначалу процессор производился по 1,5-мкм техпроцессу, однако потом были освоены и 1,2-мкм технологические нормы. Максимальная тактовая частота V70 составляла 20 МГц. При такой скорости работы производительность чипа составляла 6,6 миллионов инструкций в секунду. Как и предшественник, V70 был не очень популярен, но компания Sega продолжала использовать его в своих платформах.

(V80)

Весной 1989 года свет увидел процессор V80. Этот кристалл уже имел кэш-память инструкций и кэш-память данных объемом 1 Кбайт каждая, а также блок предсказания ветвлений. Производство кристалла было переведено на 0,8-мкм техпроцесс, а сам чип содержал 980 тысяч транзисторов. Показатель тактовой частоты также вырос: V80 работал на частоте 25/33 МГц. Производительность флагмана составляла 16,5 миллионов инструкций в секунду. В планы NEC входил выпуск V80 с частотой 45 МГц, но проект так и остался на бумаге.

V80 стал последним процессором NEC с архитектурой CISC. Следующая линейка процессоров, V800, базировалась на RISC-архитектуре.

DEC VAX

В 1985 году DEC предложила свою линейку 32-битных процессоров, основанных на собственной архитектуре VAX. Первым стал MicroVAX 78032, который также был первым устройством, изготовленным собственными силами компании. Процессор содержал 125 тысяч транзисторов и изготавливался по 3-мкм технологическим нормам NMOS. При частоте 5 МГц производительность чипа при работе с целыми числами была сопоставима со скоростью суперминикомпьютера VAX-11/780, выпущенного в 1977 году. Кристалл 78032 применялся в компьютерах DEC, начиная с модели MicroVAX II.

Для ускорения операций с числами с плавающей запятой в дуэте с MicroVAX 78032 предлагалось использовать сопроцессор MicroVAX 78132.

А в 1987 году был представлен процессор CVAX -- следующее поколение, с архитектурой VAX. Хотя это решение правильнее называть не CPU, а чипсетом. CVAX состоял из самого процессора с индексом 78034, сопроцессора для ускорения вычислений с плавающей запятой CFPA и различных микросхем поддержки (например, контроллера памяти и контроллера шины Q-Bus).

Тактовая частота VAX 78034 составляла 11,11 МГц или 12,5 МГц. Производился процессор с помощью технологии CMOS первого поколения. Кристалл получил общую кэш-память инструкций и данных объемом 1 Кбайт. В то время как решения Intel и Motorola использовали в качестве кэша SRAM-память, кэш процессоров DEC использовал память типа DRAM. Также 78034 поддерживал 64 Кбайт внешней кэш-памяти. Первые системы, использующие CVAX, появились в 1987 году. Среди них были как высокопроизводительные решения (VAX 6000 Model 200), так и Low-End миникомпьютеры MicroVAX 3500.

Итоги:

К концу 1980-х годов ситуация на рынке процессоров, изменилась незначительно. Intel лишь укрепила свои позиции, а Motorola, в свою очередь, старалась не отставать. Чуть позже, в начале 1990-х, громко заявила о себе AMD. Однако эти компании делали ставку на проверенные временем CISC-архитектуры, тогда как многие другие начали выпускать процессоры, базирующиеся на архитектуре RISC. Среди них было много интересных и перспективных разработок.

5. Эволюция процессоров. Архитектура RISC и развитие индустрии в конце 20 века

Создание архитектуры RISC

Все х86-процессоры, решения компании Motorola и подавляющее большинство выпущенных в 1980-е годы кристаллов имели архитектуру CISC (Complex Instruction Set Computing). Совокупность всех особенностей привела к тому, что чипы стали не только сложными и дорогими в производстве, но и достигли своего потолка производительности. Для дальнейшего увеличения быстродействия требовалось наращивать количество транзисторов, однако освоенные технологические нормы не позволяли создавать более сложные решения. С этим столкнулась Intel при выпуске семейства i486.

Для поднятия производительности они внесли изменения в архитектуру процессоров, добавив кэш-память, множители и конвейеры.

486-е процессоры получили некоторые улучшения архитектуры RISC. Тем не менее к созданию RISC-платформы американская компания никакого отношения не имеет. Своим созданием архитектура обязана американскому инженеру Дэвиду Паттерсону, который руководил проектом Berkeley RISC с 1980 по 1984 годы.

После нескольких лет исследований и разработки было выпущено несколько образцов процессоров, название которых и дало имя всей архитектуры. Сама аббревиатура RISC расшифровывается как Restricted (Reduced) Instruction Set Computer, что переводится как «компьютер с сокращенным набором команд». Он вовсе не означает, что количество инструкций меньше, чем число команд CISC-кристаллов. Разница состоит в том, что любая инструкция платформы RISC является простой и выполняется за один такт (по крайней мере, должна выполняться), тогда как на выполнение RISC-инструкции могло уходить несколько десятков тактов. При этом длина команды является фиксированной.. Также у RISC имеется гораздо больше регистров общего назначения. Плюс для этой архитектуры характерна конвейеризация. Именно ее использование (вкупе с упрощенными командами) позволяет эффективно наращивать тактовую частоту процессоров RISC.

Дебютными решениями стали RISC I и RISC II -- детища Паттерсона и проекта Berkeley RISC. Первый содержал более чем 44 000 транзисторов и работал на частоте 4 МГц. Такой процессор при выполнении небольших программ был в среднем в два раза быстрее VAX 11/780 и примерно в четыре раза производительнее, чем Zilog Z8000. RISC II отличался от предшественника большим количеством инструкций: 39 против 32. Он был более быстрым. Его преимущество над процессором VAX достигало 200%, а Motorola 68000 в некоторых программах был медленнее примерно в четыре раза.

Berkeley RISC был частью большого проекта под названием VLSI. Сюда также входил проект Стэнфордского университета MIPS, который стартовал в 1981 году.

Процессоры MIPS

В первоначальной спецификации процессоров MIPS не была предусмотрена поддержка таких элементарных операций, как умножение и деление. Сделано это было специально. Таким образом, разработчики хотели избавиться от необходимости использования так называемых блокировок конвейера. Сама блокировка представляла собой приостановку конвейера в тех случаях, когда операцию на определенной стадии конвейера невозможно выполнить за один такт. Тем не менее первые реализации архитектуры MIPS работали с блокировками и даже поддерживали операции умножения и деления. Прошло некоторое время, прежде чем в процессорах была реализована первоначальная задумка.

В 1984 году Хэннесси покинул Стэнфордский университет и основал компанию MIPS Computer Systems, которая и занялась выпуском процессоров с одноименной архитектурой. Спустя год увидел свет первый продукт компании -- 32-битный «камень» R2000. Он стал первой коммерчески доступной RISC-моделью в истории. В 1988 году появился процессор следующего поколения под названием R3000. В сравнении с R2000 он получил поддержку многопроцессорности и кэш-памяти инструкций и данных. «Трехтысячный» оказался коммерчески успешным. Процессор использовался в серверных системах и рабочих станциях таких компаний, как Silicon Graphics, DEC, Seiko Epson и многих других. Плюс R3000 стал сердцем игровой консоли Sony PlayStation.

Несмотря на коммерческий успех своих процессоров, MIPS испытывала финансовые трудности и в конечном счете была куплена компанией SGI и переименована в MIPS Technologies. Следом начались выдаваться лицензии на производство клонов сторонним компаниям. Так, компания QED (Quantum Effects Devices) создала недорогие MIPS-процессоры, которые использовались в маршрутизаторах Cisco. А NEC занималась производством VR4300, который «прописался» в игровой консоли Nintendo 64.

В 1994 году появился процессор R8000. Он стал первым MIPS-решением с суперскалярной архитектурой, которая подразумевает параллельное выполнение команд при условии, что исполнение одной команды не зависит от результата другой. Например, R8000 умел обрабатывать до четырех инструкций за такт.

В январе 1996 года MIPS представила процессор следующего поколения под названием R10000. «Десятитысячный» использовал такую же суперскалярную архитектуру, как и R8000, и, по сути, являлся доработанной версией предшественника. Также процессор имел кэш-память инструкций и данных объемом 32 Кбайт каждая и работал на частоте 175 МГц или 195 МГц. В 1997 году даже появилась версия чипа с частотой 250 МГц. Но даже при параметре 195 МГц R10000 был одним из быстрейших процессоров того времени.

После этого MIPS занялась продажей лицензий на 32-битную и 64-битную архитектуры MIPS32 и MIPS64.

Процессоры PowerPC

Первой компанией, начавшей разработку RISC-архитектуры, стала IBM. Еще в 1974 году стартовала разработка процессора IBM 801, которая и заложила первые основы для этой платформы. А проект Berkeley RISC окончательно сформировал архитектуру.

В начале 80-х годов некоторые процессоры IBM для встраиваемых систем использовали архитектуру 801.

В 1985 году IBM начала разработку RISC-архитектуры следующего поколения. Проект получил название America Project. Разработка процессора и набора инструкций для него закончилась в 1990 году. Сам кристалл получил название POWER1 и использовался в серверах и рабочих станциях IBM. Он обладал достаточно высоким уровнем производительности, но имел многочиповую компоновку и состоял из 11 различных микросхем. В 1992 году IBM представила бюджетный вариант процессора POWER1, который умещался в одном чипе.

PowerPC позиционировалась как платформа-конкурент x86. Ее основным назначением являлись персональные компьютеры. Так, процессор на базе PowerPC довольно долгое время использовался в компьютерах Apple Macintosh -- вплоть до 2006 года.

В 90-е годы IBM успела выпустить третью генерацию процессоров под названием POWER3, которая, по сути, стала реализацией 64-разрядной архитектуры PowerPC. Чип создавался с прицелом на использование в серверах и рабочих станциях, но в итоге его главным применением стали системы IBM RS/6000.

Архитектура конкурировала наравне с x86 до 2001 года, но после этого угнаться за процессорами Intel и AMD не смогла. Процессоры на базе PowerPC использовались в игровых консолях Sony PlayStation 3 и Microsoft Xbox 360.

Процессоры DEC Alpha

Первым процессором стал Alpha 21064 с кодовым названием EV4. Это 64-разрядный суперскалярный кристалл с конвейерной архитектурой. То есть имел классический RISC-дизайн. Процессор DEC выгодно отличала отлаженная работа всех его блоков. Так, при равной с другими процессорами частоте EV4 показывал более высокую производительность. Внешняя шина процессора была 128-разрядной. Он имел 16 Кбайт кэш-памяти данных и инструкций и изготавливался с помощью технологии CMOS-4. Тактовая частота EV4 составляла 150 МГц или 200 МГц. Несколько позже появилась модификация под названием 21064A, которая могла работать на скоростях вплоть до 300 МГц, что обеспечило кристаллу звание самого быстрого процессора того времени. Основным применением EV4 стали серверы и рабочие станции.

Alpha 21064A оставался топовой моделью DEC до выхода следующего поколения процессоров -- 21164 (EV5). Он обладал двумя целочисленными блоками и двумя модулями вычислений с плавающей запятой. В EV5 было уже три уровня кэш-памяти: два располагались непосредственно в процессоре, а третий был внешним. Кэш-память первого уровня была разделена на две части: кэш данных и кэш инструкций объемом 8 Кбайт каждый. Объем кэш-памяти второго уровня составлял 96 Кбайт. Тактовая частота процессора варьировалась от 266 МГц до 333 МГц. Alpha 21164 перенял пальму первенства у Alpha 21064A и был быстрейшим процессором до выхода Pentium Pro. Компания выпустила более производительный процессор Alpha 21164A, работающий на более высоких тактовых частотах (до 666 МГц). Процессор использовался в рабочих станциях и серверных компьютерах таких компаний, как Digital, Network Appliance и Cray Research.

В 1996 году было представлено следующее поколение процессоров DEC -- Alpha 21264 (EV6). Чип получил несколько важных изменений по сравнению с предшествующими моделями. Например, он поддерживал внеочередное исполнение инструкций, что повлекло за собой полную реорганизацию ядра. Целочисленные блоки и блоки загрузки/сохранения были объединены в единый модуль Ebox, а блоки вычислений с плавающей запятой выделены в модуль Fbox. Помимо самих блоков, эти юниты содержали еще и файлы регистров. Структура кэш-памяти опять стала двухуровневой -- она пришла на смену трехуровневой организации кэша в Alpha 21164. Кэш первого уровня сохранил разделение на память для инструкций и для данных. Объем каждой части составлял 64 Кбайт. Объем кэш-памяти мог составлять от 1 Мбайт до 16 Мбайт. Плюс процессор получил поддержку предсказания ветвлений. С течением времени выпускались все новые и новые версии процессоров Alpha 21264, в которых, прежде всего, наращивалась тактовая частота. Последней модификацией стал Alpha 21264E, который работал на частоте 1250 МГц.

Архитектура Intel P5

Несмотря на то, что Intel вышла на рынок RISC-процессоров со своими решениями i860 и i960, основную ставку в компании все же делали на x86-кристаллы. Следующим поколением стали известные Pentium на базе архитектуры P5, выпущенные в 1993 году.

Была проделана большая работа. Во-первых, P5 стала суперскалярной. Архитектура работала с помощью двух конвейеров, каждый из которых мог выполнять две операции за такт. Во-вторых, шина данных стала 64-битной, что позволило передавать вдвое больший объем данных за цикл. В-третьих, кэш-память данных и инструкций была разделена на два отдельных блока объемом 8 Кбайт каждый.

...