История развития микропроцессоров сообщение

Обновлено: 29.06.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

АРХИТЕКТУРА И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

В современных компьютерах или устройствах микропроцессор является неотъемлемой часть. Он выполняет функции центрального процессора. В компьютере эта часть отвечает за выполнение инструкций, запрограммированных на единственную интегральную схему, которая соединяет устройства машины через электрическую инфраструктуру, необходимую для их хранения. Конструкция микропроцессора использует огромную вычислительную мощность.

Основная функция микропроцессора заключается в выполнении различных операций арифметики, а также логики, таких как сложение чисел, вычитание, перенос чисел из одной области в другую и вычисление двух чисел. Альтернативное название микропроцессора - процессор или логический чип. В компьютере он работает как мозг, объединяя функции одной интегральной схемы или центрального процессора. Это программируемое устройство, используемое для многоцелевого использования.

Обработка данных в процессоре может быть выполнена с помощью массива ALU, блока управления и регистра.

Массив регистров обрабатывает данные через ряд регистров, которые выполняются как мгновенные позиции памяти быстрого доступа. Поток данных и инструкций в системе может быть обработан через блок управления. Как правило, базовый микропроцессор нуждается в определенных элементах для выполнения некоторых операций, таких как регистры, ALU (арифметический и логический блок), блок управления, регистр команд, счетчик программ и шина.

Микропроцессор представляет собой единый пакет микросхем, в котором несколько полезных функций интегрированы и изготовлены на одном кремниевом полупроводниковом чипе. Его архитектура состоит из центрального процессора, модулей памяти, системной шины и блока ввода-вывода.

Системная шина соединяет различные блоки для облегчения обмена информацией. Кроме того, он состоит из шин данных, адресов и управления для правильного обмена данными.

Центральный процессор состоит из одного или нескольких арифметико-логических блоков (АЛУ), регистров и блока управления. На основе регистров также можно классифицировать поколения микропроцессора. Микропроцессор состоит из регистров общего назначения и специального типа для выполнения команд, и хранения адреса или данных во время выполнения программы. АЛУ вычисляет все арифметические и логические операции с данными и определяет размер микропроцессоров, таких как 16-битные или 32-битные.

Блок памяти содержит как программу, так и данные и делится на процессор, первичную и вторичную память. Блок ввода-вывода взаимодействует с периферийными устройствами ввода-вывода и микропроцессором для приема и отправки информации.

Микропроцессоры выпускаются в различных конструкциях специального назначения, которые включают в себя следующее.

DSP (digital signal processor) - это один из видов специализированного процессора, используемого для обработки сигналов.
Графические процессоры (графические процессоры) в основном предназначены для рендеринга изображений в режиме реального времени. Другие типы специализированных процессоров используются для машинного зрения, а также для обработки видео.
В встраиваемых системах микроконтроллеры включают микропроцессор с использованием периферийных устройств
SOC (Системы на кристалле) часто включают в себя одно или несколько ядер микроконтроллера/микропроцессора, использующих дополнительные компоненты, такие как радиомодемы. Эти модемы применимы в планшетах, смартфонах и т. д.

Первый микропроцессор, разработанный Intel, - Intel 4004. Через несколько лет один Электронный журнал опубликовал в 1975 году статью о Altair, в которой использовался новый процессор, а именно Intel 8080. Это процессор второго поколения. В 1980 году IBM решила использовать микропроцессор Intel, известный как 8088.

Этот процессор был первым массовым ПК, который был удачно известен как ПК.

Когда люди начали использовать персональные компьютеры для различных целей, таких как создание графики, обработка слов, количество процессоров в коробке увеличилось, однако процессор остается в центре внимания даже в наши дни.

1-е поколение: Это был период с 1971 по 1973 год истории микропроцессоров. В 1971 году INTEL создала первый микропроцессор 4004, который будет работать с тактовой частотой 740 кГц. В этот период использовались другие микропроцессоры на рынке, включая Rockwell international PPS-4, INTEL-8008 и National semiconductors IMP-16. Но все они не были TTL-совместимыми процессорами.

3-е поколение: В этот период были созданы и спроектированы 16-битные процессоры с использованием технологии HMOS. С 1979 по 1980 год были разработаны INTEL 8086/80186/80286 и Motorola 68000 и 68010. Скорость этих процессоров была в четыре раза выше, чем у процессоров 2-го поколения.

4-е поколение: С 1981 по 1995 год это поколение разрабатывало 32-битные микропроцессоры с использованием технологии HCMOS. Самыми популярными процессорами были INTEL-80386 и Motorola 68020/68030.

5-е поколение: С 1995 года и по настоящее время это поколение выпускает высокопроизводительные и высокоскоростные процессоры, использующие 64-битные процессоры. К таким процессорам относятся Pentium, Celeron, Двух-и четырехъядерные процессоры.

Список литературы:

1. Цифровые устройства и микропроцессоры: учеб. пособие / А.В. Микушин, А.М. Сажнев, В.И. Седин. – БХВ-Петербург, 2010.

2. Сергей Пахомов. Эра трехмерных транзисторов//Компьютер пресс. – 2003.

3. Майстренко А.В. Информатика: Учебное пособие. Ч.1. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006.

5. Пахомов С. Современные процессоры для ПК, Компьютер-Пресс, №12, 2006г.

Процессор 8080 работал на частоте 2 МГц. Выборка из памяти и исполнение команд осуществлялись синхронно: на каждое обращение к памяти процессор тратил по 3 такта и дополнительно 1-2 такта на декодирование команды. Команды были различной длины (от 1 до 3 байт) и исполнялись от 4 до 18 тактов. Адресное пространство составляло 64 Кбайт.

В 1978 году Intel выпустила свой первый 16-разрядный процессор 8086 (первый в мире 16 разрядный процессор был выпущен Texas Instruments в 1976 г.). В этом процессоре операционный блок и блок интерфейса работали параллельно и асинхронно, что позволило существенно увеличить производительность кристалла. Блок интерфейса содержал 6-байтную очередь команд – прообраз кэш команд более поздних процессоров. Длина команды составляла от 1 до 6 байт, адресное пространство – 1 Мбайт, а тактовая частота – около 5 МГц.

Именно сегментированная модель памяти позволила ввести в следующей разработке Intel, процессоре 80286, защищенный режим. Новый процессор имел уже 16 Мбайт адресного пространства, тактовую частоту 8 МГц и мог работать в одном из двух режимов: реальном и защищенном. В реальном режиме он в точности имитировал 8086 (за исключением одной неточности: его адресное пространство составляло 1 Мбайт + 64 Кбайт – 16 байт), а в защищенном - в сегментные регистры вместо части физического адреса помещались селекторы (номера сегментов) в полном 16-Мбайтном адресном пространстве. Кроме того, каждый из сегментов имел разграничение прав доступа, что позволяло организовать многозадачную среду с защитой адресных пространств каждой из задач от остальных. Но такая система оказалась неудобной: с одной стороны, она делала невозможной прямое вычисление полного адреса (как в реальном режиме), а с другой – была подвержена неустранимой фрагментации памяти.

Истинный перелом в программировании совершила следующая модель процессора 80386. Это был уже 32-разрядный процессор, сохраняющий совместимость с двумя предыдущими моделями. Во-первых, с увеличением разрядности адреса вдвое адресное пространство возросло в 65 тысяч раз и составило 4 Гбайт, что позволило программистам обращаться ко всей физической памяти компьютера без использования сегментов. Во-вторых, защищенный режим дополнился средствами устранения фрагментации памяти – теперь любой объем, набранный из 4К-байтных страниц, расположенных в памяти как угодно, мог быть виден прикладной программе в виде одного непрерывного куска. Однако программисты еще в течение нескольких лет продолжали использовать 16-разрядные режимы – слишком сложным оказалось наладить взаимодействие 32-разрядной программы с 16-разрядной ОС.

Таким образом, разработка программной модели микропроцессора была практически завершена – последующий прогресс изделий Intel касался в основном оптимизации исполнения команд без изменения программной модели.

Так как компьютеры на 386 процессорах были существенно дороже 286 моделей, Intel так же, как и в случае пары 8086/8088, выпустил вариант процессора с сокращенной вдвое шиной данных: 16 разрядов вместо 32. Одновременно шина адреса была сокращена до 24 разрядов – как у 286, что позволяло использовать до 16 Мбайт оперативной памяти – по тем временам также объем немалый. Но вместо 80388 этот процессор получил название 80386 SX. Одновременно 80386 был переименован в 80386 DX.

Если клоны процессоров Intel в ту пору занимали на рынке столь незначительное место, что их появление не тревожило компанию, то с сопроцессорами дело обстояло несколько иначе. Устройства, выпускаемые сторонними фирмами, показывали более высокую производительность, чем изделия Intel. Развитие сопроцессоров для х86 процессоров шло по двум направлениям: сопроцессоры с системой команд Intel и улучшенной архитектурой (Cyrix) и сопроцессоры с собственной системой команд (Weitek). Последние особенно беспокоили Intel, так как собственные сопроцессоры, построенные по принципу стековой машины, имели принципиальные недостатки по сравнению с memory-mapped регистровой архитектурой Weitek.

Одновременно наметилась еще одна проблема: с одной стороны, совершенствование архитектуры привело к существенному сокращению количества тактов на одну команду, а с другой – частота тактирования процессоров росла существенно быстрее, чем скорость работы запоминающих устройств. В результате интерфейсный блок процессора стал не поспевать за арифметико-логическим устройством. Для преодоления этого недостатка на системных платах для старших моделей 80386 (до 40 МГц) стали устанавливать кэш-память.

Таблица 2. Время выполнения основных команд в тактах

Команды процессора	Pentium
AND,SUB,AND,OR,XOR reg, reg	½
AND,SUB,AND,OR,XOR reg, imm	½
AND,SUB,AND,OR,XOR reg, mem	-	>9
AND,SUB,AND,OR,XOR mem, reg	-	>16	3/2
MUL mem16	-	>124	12-25	13-26
DIV mem16	-	>150
INC, DEC reg	½
MOV reg, mem	>8	½

Следующий процессор Intel 80486 с программной точки зрения почти ничем не отличался от 80386, но в одном корпусе объединял более быстрое процессорное ядро, кэш-память и усовершенствованное устройство обработки чисел с плавающей точкой (сопроцессор). Такая интеграция позволяла существенно увеличить производительность, особенно в области вычислений, а заодно избавиться от конкурентов, делающих отдельные сопроцессоры.

Процессор вместе с оперативной памятью составляют компьютер. Перенесение части памяти (кэш) на кристалл процессора позволило сделать еще один шаг на пути увеличения производительности – развязать частоту, на которой работал процессор от частоты внешней шины. Процессор, сопроцессор и кэш-память стали работать на одной частоте (66-100 МГц), а шина продолжала работать на другой, более низкой (33 МГц).

Процессор, работающий на удвоенной частоте системной шины, получил суффикс “DX2”, а на утроенной – почему-то “DX4”. Вместе с тем появился облегченный вариант 486, с отключенным блоком обработки чисел с плавающей точкой. Следуя традиции, Intel присвоила ему суффикс “SX” (с удвоением частоты – SX2). Таким образом, во всех изделиях Intel суффикс DX означает “полную” модель процессора, а SX – урезанную. Только для 386 различие заключалось в ширине шины данных и адреса, а для 486 – в наличии арифметического сопроцессора.

Конкуренты повели себя по-разному. AMD стала выпускать 486 процессоры по лицензии Intel, а Cyrix выпустила несколько модификаций собственных процессоров, имеющих в названии цифры 486, но сильно уступающих 486 изделиям Intel по производительности и лишь слегка превосходя 386.

Попытки Intel заставить конкурентов маркировать процессоры как 386 (что в большей степени соответствовало действительности) успехом не увенчались, и она решила присвоить следующему своему процессору имя собственное - Pentium. И надо сказать, процессор этого действительно заслуживал.

Процессор Pentium (Intel 80586) - процессор 5-го поколения - появился в 1993 году. Выполненный по 0,8 мкм CMOS - технологии, он содержал на кристалле площадью 1 кв. дюйм около 3.1 млн. транзисторов (273 контакта на корпусе) и работал на частоте 66 МГц.

Рис 2. Блок-схема процессора Pentium

Главная особенность процессора - суперскалярная архитектура, т.е. наличие в его структуре двух параллельно работающих вычислительных блоков, что позволяет выполнять более одной инструкции одновременно. Во всех современных процессорах применяется конвейерный режим, т.е. считывание команды во время выполнения предыдущей команды. Конвейерная обработка данных применялась уже в ранних процессорах, например в процессоре 486.

В процессоре Pentium конвейерный режим значительно усовершенствован, что обеспечивает более высокую производительность. Частично ее повышение объясняется суперскалярной архитектурой процессора. Он может выполнять две параллельные команды одновременно, поэтому для выборки команд требуются два конвейера - сдвоенный конвейер обеспечивает одновременное выполнение двух команд, при этом одна команда декодируется в конвейере, а следующая команда анализируется на возможность одновременного выполнения. При положительном ответе обе команды передаются в конвейер для одновременного выполнения. Благодаря параллельному выполнению - или спариванию команд - целочисленные команды в каждом конвейере могут выполняться за один такт синхронизации.

Каждый конвейер состоит из пяти ступеней, действующих в порядке:

Кроме того, резкое повышение производительности процессора обеспечивается следующими его особенностями:

· введение раздельного кэш команд и данных (по 8 Кбайт) - т.е. использование буферной множественно-ассоциативной двухканальной памяти с упреждающей выборкой, что исключает наложение стековых операций и доводит частоту обращения к стеку до 95%. Обращение в кэш поддерживается специальной шиной шириной 256 разрядов;

· эффективный механизм конвейеризации поддерживается применением интеллектуального буфера предсказания ветвления (Branch Target Buffer);

· удвоенная ширина шины данных - 64 разряда соответствует требованиям мультискалярной обработки;

· оптимизированный блок (сопроцессор) десятичных и 3D операций (частичный переход от CISC к RISC–системе);

Кроме этого процессор Pentium имеет режим управления системой (System Management Mode - SMM), который впервые появился в процессоре 386SL. Этот режим обеспечивает в основном экономию энергии, а также некоторые дополнительные возможности. С помощью сигналов на внешних контактах программисты могут использовать режим SMM для управления работой других компонентов компьютера. Например, в режиме SMM можно задействовать средства экономии энергии накопителя на жестком диске, выключая двигатель при продолжительных периодах бездействия и включая его при появлении запроса данных; можно реализовать функции защиты и ряд других системных функций высокого уровня; реализуется почти полное самотестирование процессора.

Pentium может работать намного быстрее своих предшественников, если приложение использует все его специфические свойства и если программный код приложения получен с использованием соответствующих Pentium-оптимизированных компиляторов.

Вскоре Intel сделала заявку на новый для себя рынок сбыта – процессоров для высокопроизводительных серверов и рабочих станций, выпустив Pentium Pro.

Еще в 1974 году (т. е. одновременно с 8080) фирмой IBM был разработан прототип процессора с архитектурой, получившей позднее название RISC. Большинство высокопроизводительных процессоров к моменту создания Pentium Pro имели именно эту архитектуру. В таких системах экономически выгодно для каждой новой разработки писать новое программное обеспечение. Увеличение производительности за счет усовершенствования системы команд окупает разработку немногочисленных программ.

Intel же не могла отказаться от совместимости с разработанной более 10 лет назад системой команд, поэтому ей пришлось применить аппаратное преобразование существующей системы команд в RISC-команды для последующего исполнения их RISC-ядром. Pentium Pro имел и другие архитектурные отличия: двухуровневая кэш-память, работающая на частоте ядра, изменение порядка выполнения команд для их скорейшего прохождения через конвейер и т.д. Но процессор оказался очень дорогим – именно из-за расположенной в корпусе кэш-памяти второго уровня. Если в 80386 была в целом сформирована программная модель процессора, то в Pentium Pro практически закончилось формирование архитектуры, обеспечивающей наивысшую производительность (в расчете на один такт) при заданной системе команд. В последующих модификациях Pentium II и Pentium III ядро осталось без изменений.

Конкуренты в лице компании AMD вскоре предложили другое расширение набора команд – 3DNow! Оно также предусматривало работу с 64-разрядными регистрами, но теперь их содержимое могло также трактоваться как пара 32-разрядных чисел с плавающей точкой. Именно такие данные использовались при работе с трехмерной графикой, что и нашло свое отражение в названии технологии.

Следующая разработка Intel представляла собой результат “скрещивания” Pentium MMX и Pentium Pro и называлась Pentium II. Правда, с целью удешевления кэш второго уровня был вынесен из корпуса в процессорный картридж, а его частота уменьшена вдвое.

Вскоре Intel поняла, что поспешила снять с производства Pentium MMX, – весь low-end рынок оказался заполненным продукцией конкурентов, в числе которых были IBM, Cyrix, AMD и IDT. Тогда был придуман новый “маневр”: наряду с “полным” Pentium II на рынок был выброшен его несколько сокращенный и удешевленный вариант – Celeron. Так назвали процессор, имеющий то же ядро, что и Pentium II, но без кэш-памяти второго уровня (по сложившейся традиции его следовало бы назвать Pentium II SX). Однако первый блин вышел комом. Системные платы для Pentium II (в отличие от системных плат конкурентов, процессоры которых обладали одноуровневым кэш) не несли на себе кэш-памяти второго уровня, а без нее процессор демонстрировал очень скромную производительность. Однако вскоре Intel исправилась – переход на новую технологию позволил поместить кэш-память второго уровня сокращенного объема (128К, такой объем памяти ставили на 386, для 486-Pentium более характерным объемом является 256К, а для Pentium II – 512К) на самом кристалле. Так как размещенный на кристалле кэш работал на полной частоте процессора, оказалось, что в некоторых приложениях Celeron работает даже быстрее “полного” Pentium II. Однако это продолжалось недолго. Вскоре Pentium II был переведен на частоту внешней шины 100 МГц, тогда как Celeron так и остался на 66, и разрыв в производительности был восстановлен.

Долгое время заполнявшая low-end сегмент рынка компания AMD неожиданно для многих вдруг выпустила процессор, на поверку оказавшийся не только достойным соперником изделию Intel, но и по многим тестам превосходящим его. Новое изделие также получило собственное имя – Athlon. Был расширен и набор дополнительных инструкций, названный 3DNow!2. Следующим шагом стало повторение политики Intel - вскоре за “главным” процессором появился и его вариант, рассчитанный на нижний сегмент рынка – Duron, также с урезанным кэш.

С уменьшением технологических норм стало возможно поместить на кристалле 256 Кбайт кэш-памяти. Начиная с этого момента, кэш-память всех выпускаемых процессоров работает на полной частоте процессора, и процессорный картридж уходит в прошлое.

В течение некоторого времени продукция Intel и AMD находилась примерно на одном уровне, однако в дальнейшем их пути разошлись. Intel начала “гонку за мегагерцами”, выпустив Pentium IV, который существенно уступал в производительности как Pentium III, так и Athlon на одинаковой с ним тактовой частоте, зато допускающий значительное повышение частоты при тех же технологических нормах.

AMD удалось еще больше увеличить количество инструкций, выполняемых за один такт. Одновременно в кристалл был добавлен набор команд SSE и введена температурная блокировка, без которой Athlon и Duron нередко горели от перегрева. Так появился Athlon XP. Чтобы хоть как-то ответить на действия Intel, AMD прибегла к не очень красивому приему – стала маркировать новые процессоры значением рейтинга, а не тактовой частоты. Правда, рейтинг вычислялся при сравнении не с чужим, а с собственным процессором: он показывал, какой частотой должен был бы обладать Athlon, чтобы работать наравне с Athlon XP. Впрочем, результаты тестов свидетельствуют, что Athlon XP оказывается производительнее Pentium IV, даже если последний работает на тактовой частоте выше рейтинга первого. Intel, правда, утверждает, что “низкая производительность Pentium IV связана с отсутствием программ, оптимизированных под него”.

Ядро Pentium около двух третей своей мощности тратит на декодирование инструкций, и только треть – на выполнение. Также дают о себе знать и другие узкие места традиционной архитектуры х86, например очень ограниченное количество регистров. Получается, что сначала оптимизирующий компилятор тратит массу усилий, чтобы уместить все необходимые данные в мизерном количестве регистров, а затем блок декодирования проделывает обратную работу, распределяя содержимое видимых снаружи логических регистров по многочисленным конвейерам. Естественно, безболезненно для производительности это не проходит. Поскольку инструкции выполняются процессором параллельно, то неплохо было бы освободить от работы по распараллеливанию центральный процессор и переложить эту работу на компилятор. А раз так, то требуется переходить на новую систему команд, без чего дальнейший рост производительности оказывается невозможным.

Роль классической архитектуры i8080 в развитии однокристальных микропроцессоров. Промышленный стандарт для микропроцессорной техники. Возможности n-канальной МОП-технологии для создания высокопроизводительных систем. Современная 64-х битная архитектура.

Рубрика	Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	17.01.2015
Размер файла	26,2 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

на тему: "История развития микропроцессоров"

1. Развитие микропроцессоров

2. Микропроцессоры i80386

3. Микропроцессоры i80486

4. Процессоры Pentium

5. Производительность процессоров

Список используемой литературы

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.

15 ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004.

Это был настоящий прорыв, ибо МП Intel-4004 размером менее 3см 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.

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.

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 8008был 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 64Кбайт.

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 программно недоступных 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 архитектуруIA-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 Compaq Desk Pro 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-разрядногомикропроцессора 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-мипроцессорами. 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.

3. Микропроцессоры i80486

Появление нового микропроцессора i80486SX можно считать одним из важнейших событий 1991г. Предварительные испытания показали, что i486SX с частотой 20 МГц работал примерно на 40 % быстрее i486DX с частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX содержит на кристалле КЭШ память, а математический сопроцессор заблокирован. Если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и на рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. В семействе i486предусмотрены несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: команды поддержки, механизм семафоров памяти. Аппаратно реализовано выявление недостоверности строки Кэш-памяти, обеспечивающее согласованность между несколькими модулями Кэш-памяти. Для микропроцессоров семейства i486допускалась адресация физической памяти 4Gb и виртуальной памяти размером 64Тб. К концу 1990г 32-разрядные микропроцессоры стали стандартными для компьютеров Notebook, однако, типичные микросхемыi386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков портативных компьютеров. В 1990г фирмой Intel был разработанi386SL, который представлял собой интегрированный вариант микропроцессораi386SX, базовая архитектура которого была дополнена еще несколькими контроллерами. Все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в 2 микросхемах: микропроцессор i80386SL и периферийный контроллер i82360SL. В набор i386SL впервые введены новые прерывания SMI, которые могли быть использованы для обработки событий, связанных с управлением потребляемой мощностью. Вместе с мат. сопроцессоромi80387SL данный набор микросхем позволял создавать компьютер на площади, ненамного превышающей размер игральной карты. Микросхема i80486SL представляет собой самый производительный процессор серии SL, разработанный Intel в конце 1992г. По производительности он уступаетi80486DX, но, благодаря пониженному напряжению питания (3.3 V), он может эффективно использоваться в портативных компьютерах. Производительность систем такого типа повышается за счет 16-разрядной шины PI-интерфейса, который поддерживает быстрый интерфейс графического дисплея и устройств хранения информации на основе Flash-памяти.

В 1992 году Intel объявила о создании 2-го поколения МП, названныхi486DX2. Они обеспечивали новую технологию, при которой скорость работы ядра МПв 2 раза выше скорости остальной части системы. Тем самым появилась возможность объединения высокой производительности МП с внутренней частотой 50МГц и эффективные по скорости 25/33МГц системы. Новые микросхемы по-прежнему включали в себя ЦП, математический сопроцессор и кэш-память на 8Кб. Компьютеры, построенные на базе i486DX2, работают приблизительно на 70 % быстрее тех, что основаны на МП i486DX2 первого поколения. Несколько позже появились процессоры на базе i486SX2, в которых отсутствует встроенный сопроцессор. Следует напомнить, что технология умножения частоты стола использоваться на процессорах OverDrive. Основное отличие DX2 и OverDriveв том, что первые монтируются на системной плате еще при сборке машины, а вторые устанавливаются самим пользователем. Внутренние функциональные узлы используют удвоенную тактовую частоту, в то время как остальные элементы системной платы работают с обычной скоростью. Это позволяет увеличить производительность системы за счет хранения части данных и выполняемых кодов во внутренней кэш-памяти. Повышенная производительность сопровождается существенным увеличением потребляемой мощности. В настоящее время технология умножения частоты находит широкое применение практически во всех современных МП. Так фирма Intel выпускает серию МП DX4 (DX4-75,83,100,120). Напряжение питания этих МП 3.3В. Кол-во транзисторов 1.6 млн.

4. Процессоры Pentium

1 ноября 1995 года Intel объявила о начале коммерческих поставок МП нового поколения P6, в основе которого лежит комбинация технологии многократного предела ветвления, анализ потоков данных и эмуляция выполняемых инструкций. В корпусе Микросхема размещаются 2 кристалла: 256/512Кб кэш-память 2-го уровня и сам МП. На кристалле процессора располагается 16Кб кеш 1-го уровня. В семейство Р 6 входит МП с тактовыми частотами 200, 166, 150 МГц. Производительность Р 6-200 по тесту производительности соответствует 366, т.e. этот МП превосходит свой аналог в RISC. Число транзисторов МП 5,5 млн. а кеш памяти 31 млн. При напряжении питания около 3В МП вместе с кеш памятью рассеивает 14Вт. Изделие выполнено в квадратном корпусе с 387 выводами. Архитектура Р 6позволяет объединять между собой множество МП создавая таким образом непревзойденную масштабируемость. Специально для Р 6 Intel разработал 2 набора микросхеме для шины PCI. Развитие линии Р 6 пойдет в направлении увеличения тактовой частоты и снижения размеров технических норм, а также увеличения емкость кэша 1-го уровня до 32Кб, кроме того предполагается совершенствование архитектуры с учетом технологии мультимедиа, в частности цифровой обработки видео. Совершенно новый и необычный МП Р 7, совместно разработанный Intel и HP, появился в 1997 году. Он поддерживает длинные инструкции и имеет производительность 1млд. MIPS. однокристальный микропроцессор архитектура

5. Производительность процессоров

До недавнего времени основной мерой производительности МП являлась их тактовая частота, однако по мере усложнения архитектуры (RISC-ядро, встроенный кеш, технология внутреннего умножения частоты) данный параметр работы МП хотя и остался одним из важнейших, но уже не был определяющим. В 1992 году Intel предложила индекс для оценки производительности своих МП i COMP. Индекс представляет собой число, которое выражает производительность МП семейства i86. Производительность 486SX-25принимается за 100. При вычислении индекса учитываются операции со следующими "взвешенными" компонентами: 16-разрядные целые 57 %, 16-р вещественные 13 %, 32-р целые 25 %, 32-р вещественные 5 %.

6. Сопроцессоры

Важной характеристикой любого ПК является его быстродействие. Для ряда компьютерных задач одним из самых критичных параметров выступает скорость выполнения операций с плавающей точкой. Даже самые мощные МП тратят на такие вычисления много времени, поэтому вполне логично было создание для этой цели специальных устройств - Микросхема математического сопроцессора. До недавнего времени сопроцессор представлял собой специализированную микросхему, работающую во взаимодействии с МП. Данная Микросхема была предназначена только для выполнения мат. операций. Во всех МП Intell от 486DXи выше сопроцессор интегрирован на кристалле МП. С другой стороны, хотя и компьютер определяется как "тот, кто вычисляет", масса современных программных приложений вовсе не требует выполнения сложных мат. операций. Если не затрагивать специальных физических или математических задач моделирования, можно однозначно сказать о необходимости сопроцессора для работы с 3-хмернойграфикой, издательскими пакетами, электронными таблицами и т.д. При работе же сБД или обычными текстовыми редакторами использование сопроцессор вовсе необязательно. По некоторым оценкам только 1/3 пользователей эффективно используют математический сопроцессор.

Первым математическим сопроцессором для ПК IBM стал i8087производства Intell, который появился в 1980 году. Со временем, помимо чисто Intell-x сопроцессоров, появились сопроцессор и ряда других фирм. CYRIX предлагал один из самых быстрых сопроцессоров, основанных на классической архитектуре. Причем гарантировалась полная совместимость с сопроцессорами Intell. Производительность этой микросхемы несколько выше потому, что все критичные повремени выполнения операции реализованы в данной микросхеме с использованием жесткой логики (аппаратный умножитель, отдельное арифметико-логическое устройство для вычисления мантиссы и т.д.). Повышение производительности особенно заметно при вычислении квадратного корня или тригонометрических функций. Он еще и точнее Intell-го.

Weitek была основана в 1981году несколькими инженерами, покинувшими Intell. Выполнение простых операций с одинарной точностью на сопроцессоре Weitek происходит менее чем за 200 нс., тогда как сопроцессор, использующий классическую архитектуру, выполняет подобные операции за 1.5 мкс. Обращение к сопроцессору происходит как бы через ОЗУ. Таким образом, загрузив операнды в область памяти, соответствующей сопроцессору, следующей командой можно уже считывать результат. Применение сопроцессора Weitek имеет смысл только тогда, когда он поддерживается программным обеспечением. В связи с этим сопроцессор Weitek находит достаточно ограниченное применение.

Список используемой литературы

1. Уинн Л. Рош "Библия по техническому обеспечению Уинна Роша".

2. Н.Н. Щелкунов, А.П. Дианов "Микропроцессорные средства и системы", 1989 г.

Цель данной работы – рассмотреть классификацию, структуру, основные характеристики и историю развития микропроцессоров ПК.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
 Раскрыть основные понятия темы;
 Дать общую схему классификации микропроцессоров;
 Рассмотреть структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК;
 Рассмотреть историю развития микропроцессоров и усовершенствования основных характеристик.

Содержание работы

Введение 3
1 Теоретическая часть 4
1.1 Определение микропроцессора 4
1.2 Классификация микропроцессоров 5
1.3Функции и строение микропроцессора 8
1.4. Основные характеристики микропроцессоров ПК 13
2 История развития микропроцессора 15
2.1 Этапы технологии производства 15
2.2 Современная технология изготовления 17
Заключение 31
Библиографический список 32

Файлы: 1 файл

Отчет по лабораторной работе №1,2,3.docx

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Пензенский государственный технологический университет"
(ПензГТУ)

Выполнил: слушатель Чугунов Николай Сергеевич

Направление подготовки: 230400.62

Проверил: д.т.н., профессор кафедры ИТС Михеев М.Ю.

1 Теоретическая часть 4

1.1 Определение микропроцессора 4

1.2 Классификация микропроцессоров 5

1.3 Функции и строение микропроцессора 8

1.4. Основные характеристики микропроцессоров ПК 13

2 История развития микропроцессора 15

2.1 Этапы технологии производства 15

2.2 Современная технология изготовления 17

Библиографический список 32

Введение

Компьютерная техника лежит в основе современного прогресса. Она обеспечивает работу современных станков, контроль технологических процессов на производстве, связь на всех уровнях (от межгосударственного до бытового). С помощью нее проводятся сложные и трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы конструирования, разработки, фундаментальные исследования, то есть задает темпы прогресса.

Важнейший компонент любого персонального компьютера - это микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации.

И в зависимости от того, как будет в будущем меняться мощность этой маленькой детали, будет зависеть производительность всей компьютерной техники в целом. Полученные в ходе написания работы знания могут пригодиться и в обыденной жизни, например при приобретении персонального компьютера.

Цель данной работы – рассмотреть классификацию, структуру, основные характеристики и историю развития микропроцессоров ПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Раскрыть основные понятия темы;
Дать общую схему классификации микропроцессоров;
Рассмотреть структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК;
Рассмотреть историю развития микропроцессоров и усовершенствования основных характеристик.

1 Теоретическая часть

1.1 Определение микропроцессора

Вернемся к истории. Так случилось, что отдельные транзисторы и интегральные схемы были вытеснены с рынка новым устройством — микропроцессором. Это и было началом новой компьютерной эры, которая длится вот уже без малого четыре десятилетия. Отсчет нового летоисчисления компьютерной эры ведут с 1971 г., когда командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тэдом Хоффом был создан первый микропроцессор Intel 4004.

Первый чип Intel 4004 работал на частоте 750 кГц, содержал 2300 транзисторов и стоил около 200$. Производительность его оценивалась в 60 тыс. операций в секунду. На сегодняшний день рекордные показатели принадлежат микропроцессорам Alpha 21264 фирмы DEC и составляют: 600 МГц, 15,2 млн. транзисторов, 2 млрд. операций в секунду. Стоят они около 300$.

Основные функции процессора: выработка синхронизирующих сигналов; формирование исполнительных адресов для обращения к оперативной памяти; организация обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами; организация многопрограммной работы.

1.2 Классификация микропроцессоров

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему.

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями.

По системе команд микропроцессоры отличаются огромным разнообразием, зависящим от фирмы-производителя. Тем не менее можно определить две крайние политики построения микропроцессоров:

Аккумуляторные микропроцессоры;
Микропроцессоры с регистрами общего назначения;

В микропроцессорах с регистрами общего назначения математические операции могут выполняться над любой ячейкой памяти. В зависимости от типа операции команда может быть одноадресной, двухадресной или трёхадресной.

Принципиальным отличием аккумуляторных процессоров является то, что математические операции могут производиться только над одной особой ячейкой памяти - аккумулятором. Для того, чтобы произвести операцию над произвольной ячейкой памяти её содержимое необходимо скопировать в аккумулятор, произвести требуемую операцию, а затем скопировать полученный результат в произвольную ячейку памяти.

В настоящее время в чистом виде не существует ни та ни другая система команд. Все выпускаемые в настоящее время процессоры обладают системой команд с признаками как аккумуляторных процессоров, так и микропроцессоров с регистрами общего назначения.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры - цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям.

Поколения процессоров отличаются друг от друга скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом. словом, буквально всем. Причем отличаются не только количественно, но и качественно. Так, при переходе от Pentium к Pentium II и затем — к Pentium III была значительно расширена система команд (инструкций) процессора.

В пределах одного поколения все ясно: чем больше тактовая частота, тем быстрее процессор. А как же быть, если на рынке имеются два процессора разных поколений, но с одинаковой тактовой частотой? Например, Pentium III и Pentium 4. Конечно, второй процессор поколения будет работать быстрее — на 10—15 %, в зависимости от задачи. Связано это с тем, что в новых процессорах часто бывают встроены новые системы команд-инструкций, оптимизирующих обработку некоторых видов информации.

1.3 Функции и строение микропроцессора

Обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
Программное управление работой устройств компьютера.

Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства:

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью.

Читайте также: