Микропроцессоры семейства Intel

Mикропроцессоры Intel

Большинство микропроцессоров Intel относят к микропроцессорам типа CISC. Микропроцессоры фирмы Intel в значительной степени определяют направление развития компьютерной техники. Каждые несколько лет фирма Intel демонстрирует новые прорывы в своей технологии, существенно меняя наши представления о возможностях компьютеризации.

Базовое семейство микропроцессоров Intel началось с первого в мире 4-битного микропроцессора 4004 (1971), ориентированного на применение в микрокалькуляторах. Затем фирма Intel выпустила 8-битные микропроцессоры 8008 (1972), 8080 (1974) и 8085 (1976), достаточно мощные для построения небольшого компьютера.

Они могли выполнять двоичные и двоично-десятичные5 16-битные арифметические операции и адресовать память до 64 Кбайт с помощью 16-битной шины данных. Наконец, был выпущен 16-битный микропроцессор 8086 (1978) с его 8-битным вариантом 8088 (1979) и расширенными вариантами 80186 и 80286 (1982), обладающими более высоким быстродействием и дополнительными возможностями.

Процессоры 8086, 8088 и 80186 могли оперировать с 32-битными двоичными и 16-битными двоично-десятичными числами и адресовать память до 1 Мбайт блоками по 64 Кбайт. Новое поколение микропроцессоров ознаменовалось появлением 32-битных процессоров 80386 (1985) и 486SX (1989), которые могли адресовать до 4 Гбайт памяти и выполнять несколько задач одновременно.

За 18 лет производительность микропроцессоров фирмы Intel выросло от 60 тыс. до 41 млн операций в секунду.

Процессор 486DX имел дополнительно встроенные кэш-память первого уровня и устройство обработки чисел с плавающей точкой, а следующие процессоры фирмы Intel – 64-разрядную шину данных, возможность обработки нескольких инструкций одновременно и набор дополнительных регистров и инструкций. Таковы процессоры Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium II и т.д. Последние два из них также содержат в одном корпусе с процессором встроенную кэш-память второго уровня.

Процессоры 80286

Процессор 80286, выпущенный фирмой Intel 1 февраля 1982 г., является усовершенствованным вариантом микропроцессора 8086, содержащим схемы управления памятью и её защиты для упрощения реализации мультизадачных систем.

На кристалле процессора размещено около 134000 транзисторов новой 1,5-микронной технологии, позволившей оформить микропроцессор в таком же, как и у микросхемы 80186, корпусе с 68 контактами, расположенными в четыре ряда.

Выпускались модели процессора 80286 с частотами синхронизации 6, 8, 10 и 12,5 МГц производительностью 0,9, 1,2, 1,5 и 2,6 млн операций в секунду соответственно. Все модели микропроцессора имели одно напряжение питания +5 В.

, через 6 лет после выпуска процессора, по всему миру насчитывалось более 15 млн компьютеров на его базе.

Микропроцессор 80286 показал, что персональные компьютеры могут быть также мощны, как и большие промышленные компьютеры.

В апреле 1987 г. фирма IBM объявила о создании нового семейства персональных компьютеров, названного PS/2. В компьютерах IBM PS/2-30 использовался микропроцессор 8088, как и в оригинальных IBM PC, а в компьютерах IBM PS/2-50/60 – новый микропроцессор 80286.

Для последних фирмой Microsoft также была разработана мультизадачная операционная система OS/2. Эта система не имела графического интерфейса, в отличие от ОС Microsoft Windows, и потому была менее требовательна к ресурсам компьютера.

Позже фирма IBM выкупила права на систему OS/2 и разрабатывала её самостоятельно.

Процессоры 80386

Микропроцессор 80386, выпущенный 17 октября 1985 г., – «истинно 32-битный» процессор: ширина его шин адреса и данных, а также размер регистров, составляют 32 бита. Это упрощает вычисление адреса, так как весь адрес ячейки памяти может храниться в одном регистре. Кроме того, становится возможной адресация 4 Гбайт физической и 64 Тбайт виртуальной памяти.

Выпускались модели микропроцессора 80386, работающие на тактовой частоте 16, 20 (с февраля 1987 г.), 25 (с апреля 1988 г.) и 33 (с апреля 1989 г.) МГц; эти модели имели производительность 5,5, 6,5, 8,5 и 11,5 млн операций в секунду соответственно.

На кристалле процессора содержалось около 275000 транзисторов. Для систем на базе микропроцессоров 80286 выпускались также отдельные микросхемы, приближающие её по производительности к системам с процессором 80386 и добавляющие некоторые из новых возможностей этого микропроцессора.

Таковы микросхемы SOTA POP фирмы SOTA Technology и ALL ChargeCard фирмы ALL Computer; установленные в систему с процессором 80286, они добавляют возможности управления памятью, имеющиеся в процессоре 80386.

Такие микросхемы представляют собой более дешёвый способ модернизации системы на базе процессора 80286, так как сами эти микросхемы не содержат процессора 386SX или аналогичного.

Для 32-битных микропроцессоров, таких, как 80386, были созданы операционные системы MicrosoftWindows NT и Microsoft Windows 95 (последняя известна также под названием «Chicago»). Обе системы являются мультизадачными; каждая из них может выполнять программы реального режима для ОС MS-DOS и программы защищённого режима ОС Microsoft Windows 3.

x вдобавок к программам, написанным специально для этих систем.

Эти системы называют 32-битными в том смысле, что они используют плоскую (несегментированную) модель памяти: содержимое сегментного регистра указывает лишь на права доступа к нему, а не на его местоположение в физической памяти; физический адрес, выдаваемый процессором на шину адреса, совпадает с 32-битным эффективным адресом.

На основе микропроцессоров 80386 фирмой IBM были созданы персональные компьютеры IBM AT 386 (семейство PC) и IBM PS/2-80 (семейство PS/2). В первых из них применялась ОС PC-DOS, а во вторых – OS/2

Процессоры 80486

10 апреля 1989 г. фирма Intel выпустила усовершенствованную версию процессора 80386 и назвала её 486.

Вдобавок к ЦПУ класса 80386 на кристалле процессора 486 также располагались кэш-память первого уровня (объёмом 8 или 16 Кбайт) и устройство обработки чисел с плавающей точкой; длина очереди команд процессора была увеличена до 32 байт.

Это был первый в мире ЦП со встроенным эквивалентом математического сопроцессора: больше не стояла проблема его эмуляции на системах без сопроцессора, а также удешевлялась и ускорялась система за счёт уменьшения общего числа контактов и корпусов микросхем.

С другой стороны, нельзя было установить в систему другой сопроцессор, поскольку команды сопроцессора выполнялись встроенным устройством обработки чисел с плавающей точкой. Поэтому выпускались два варианта процессора 486 – 486DX и 486SX, идентичные по архитектуре, за исключением того, что процессор 486SX не содержал устройства обработки чисел с плавающей точкой.

Процессор 486DX содержал около 1,2 млн транзисторов, а процессор 486SX – около 1185 тыс.

Выпускались модели процессоров 486, способные работать на тактовых частотах 25 и 33 (с мая 1990) МГц, а также модели процессоров 486SX, рассчитанные на частоты 16 (с сентября 1991) и 20 (с апреля 1991) МГц и модель процессора 486DX, работающая на частоте 50 МГц (с июня 1991).

Соответственно производительность процессора 486DX составляла от 20 до 41 млн, а процессора 486SX – от 13 до 27 млн операций в секунду. Последние (с 1992 г.) образцы процессоров 486SX изготовлялись по новой 0,8-микронной технологии и содержали всего 900 тыс. транзисторов.

Технология OverDrive, реализованная в процессорах 486SX, позволяла усовершенствовать центральный процессор добавлением на него так называемого «процессора OverDrive» в специально для этого предназначенное гнездо платы. Старый процессор при этом оставался в системе и выполнял вспомогательные функции.

Фирмой Intel выпускались OverDrive-процессоры 486DX2, 486DX4 и Pentium.

Большинство процессоров 486 могли работать с двумя напряжениями питания – 3,3 и 5 В – и переключаться между ними во время работы. Эта возможность нашла применение в компьютерах-блокнотах, так как позволяла гибко регулировать энергопотребление процессора.

Процессор 486DX-50 МГц был выпущен незадолго до двадцатилетия со дня выпуска первого микропроцессора фирмы Intel. За эти двадцать лет быстродействие процессоров выросло в 500 раз, число транзисторов – в 522 раза, производительность – в 683 раза, адресуемая память – в 6,7 млн раз. Осенью 2001 г.

, через 30 лет после выпуска микропроцессора 4004, был выпущен процессор Xeon-2ГГц.

Его тактовая частота превосходит частоту процессора 4004 в 20 млн раз; сотрудники фирмы Intel показывают, что если бы скорость автомобиля увеличилась в то же число раз, то путь от Сан-Франциско до Нью-Йорка занимал бы 10 секунд.

Процессоры Pentium

В 1992 г. фирмой Intel было объявлено о том, что новый процессор будет назван вопреки старой системе наименования (x86). Поскольку названия из цифр не защищаются авторским правом и законом о торговых знаках, конкуренты фирмы Intel выпускали собственные процессоры с названиями вроде 386 и 486.

Первые процессоры Pentium были выпущены 22 марта 1993 г. Они содержали 3,1 млн транзисторов, работали на тактовых частотах 60 и 66 МГц и имели производительность 100 и 112 млн операций в секунду соответственно. Эти процессоры выпускались в 273-контактных корпусах с сеткой контактов 21×21 и имели напряжение питания 5 В.

Процессоры Pentium-60/66 МГц назывались также Pentium-1, а с большими тактовыми частотами – Pentium-2. Процессоры Pentium-1 не могли заменяться на процессоры Pentium-2, так как имели другое напряжение питания и другие размеры гнезда (сокета).

Процессоры Pentium-2 имели производительность от 126,5 до 219 млн операций в секунду.

Процессор PentiumMMX был выпущен 8 января 1997 г., и его модели работали на тактовых частотах 166, 200, 233 (с июня 1997), 266 (с января 1998) и 300 (с января 1999) МГц.

Так как процессор Pentium MMX выпускался в таких же 296-контактных корпусах, как и процессоры Pentium-2, системы на базе процессоров Pentium-2 можно было легко модернизировать простой заменой процессора на процессор Pentium MMX. Процессоры Pentium MMX содержали около 4,5 млн транзисторов.

Выполненные по новой 0,25-микронной технологии, они упаковывались в 320-контактные корпуса особого вида, предназначенные для употребления в компьютерах-блокнотах.

Для персональных компьютеров фирмой Intel выпускались процессоры Celeron, являющиеся «облегченными» вариантами Pentium II без внутренней кэш-памяти второго уровня.

Выпускаемые в таких же односторонних картриджах, как и процессоры Pentium II, процессоры Celeron имели меньшую рабочую тактовую частоту, а именно 266 (с апреля 1998) и 300 (с июня 1998) МГц.

Процессоры Celeron содержат, как и процессоры Pentium II, 7,5 млн транзисторов.

Дальнейшие разработки фирмы Intel включают процессоры Pentium III, Pentium 4, Xeon и Itanium.

Последний из них – процессор Itanium – является полностью 64-битным и содержит на кристалле 2 или 4 Мбайт кэш-памяти третьего уровня; модели процессора Xeon могут работать на тактовых частотах до 2,4 ГГц.

Об этих процессорах ещё сложно говорить что-то определённое, т.к. разработка новых моделей этих процессоров не завершена.

Направление развития

Сегодня корпорация Intel объявила о завершении пилотного этапа по выпуску процессоров с двумя ядрами и обнародовала планы по производству многоядерных процессоров, что знаменует собой начало новой эпохи в истории персональных компьютеров.

Во втором квартале 2005 г.

корпорация Intel планирует представить два новых вида процессоров класса Intel Pentium, включая процессоры класса Intel Pentium Extreme Edition, которые располагают двумя ядрами и поддерживаются двумя новыми наборами микросхем. В процессорах класса Intel Pentium Extreme Edition будет использоваться технология Hyper-Threading (HT), что обеспечит возможность одновременной обработки четырех программных потоков.

В двухядерных и многоядерных процессорах содержится два или более полнофункциональных ядра ЦПУ, благодаря чему один процессор может одновременно выполнять несколько потоков программных инструкций.

В сочетании с технологией HT, позволяющей операционной системе использовать один физический процессор как два логических, процессоры класса Intel Pentium Extreme Edition смогут обрабатывать до четырех программных потоков одновременно, максимально эффективно используя имеющиеся в наличии ресурсы.

07.02.05

Список источников из Интернет

Источник: http://www-old.fizmat.vspu.ru/doku.php?id=vsst:m%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE%D1%80%D1%8B_intel

Архитектура микропроцессоров: основные виды, развитие, достоинства и недостатки

Архитектура микропроцессоров.

Эта глава посвящена архитектурным особенностям микропроцессоров. В ней приведены общие сведения о микропроцессорах, рассматриваются принципы структурно – функциональной организации) типы данных, регистровая память, спо­собы адресации и система команд микропроцессоров. Излагаемый материал ил­люстрируется на простейших 8– и 16–разрядных процессорах.

Основные понятия

Микропроцессор — это программно–управляемое устройство в виде интегральной микросхемы (БИС или СБИС), предназначенное для обработки цифровой информации. Поскольку все современные микро­процессоры имеют интегральное исполнение, синонимом микропроцессора стал термин процессор.

Микроконтроллер— это специализированный процессор, предназначен­ный для реализации функций управления (control— управление).

{xtypo_quote}Цифровой сигнальный процессор(Digital Signal Processor — DSP) — это специа­лизированный процессор, предназначенный для обработки цифровых сигналов.

{/xtypo_quote}
Микропроцессорная система представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из нескольких цифровых устройств, включая процессор.

Это понятие объединяет широкий набор законченных изделий, начиная с микроконтроллеров, выполненных на интегральных микросхемах, и кон­чая компьютерными системами, представляющими собой набор отдельных конст­руктивно оформленных устройств (системный блок, клавиатура, монитор и др.

). В дальнейшем рассматриваются простейшие (однокристальные) микропроцес­сорные системы, содержащие помимо процессора основную память и устройства ввода/вывода. Такие микропроцессорные системы можно отнести к классу микро­процессоров.

● физическую организацию в виде принципиальной схемы;

● логическую организацию в виде структурно–функциональной схемы.

В дальнейшем рассматривается организация микропроцессоров на логиче­ском уровне, или структурно–функциональная организация процессоров.

Под архитектурой процессора будем понимать совокупность его программно–аппаратных средств, обеспечивающих обработку цифровой инфор­мации (выполнение программы), т. е. совокупность всех средств, доступных про­грамме (или пользователю).

Это более общее понятие по сравнению с понятием организация включает в себя набор программно–доступных регистров и операци­онных устройств, систему основных команд и способов адресации, объем и орга­низацию адресуемой памяти, виды и способы обработки данных (обмен, преры­вания, примой доступ к памяти и др.).

{xtypo_quote}Например, современные 32–разрядные процессоры х86 с архитектурой IA–32 (Intel Architecture — 2 bit ) имеют стандарт­ный набор регистров, общую систему основных команд, одинаковые способы организации и адресации памяти, защиты памяти и обслуживания прерываний. Отметим, что понятие архитектуры в большей степени характеризует свойства системы, чем устройства. {/xtypo_quote}

Основные виды архитектур

По форматам используемых команд (инструкций) можно выделить:

● CISC–архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с полным набором команд (Complete Instruction Set Computer— CISC). Она реализова­на во многих типах микропроцессоров (например Pentium), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации.

Система команд процессоров с CISC–архитектурой может содержать не­сколько сотен команд разного формата (от 1 до 15 байт), или степени слож­ности, и использовать более 10 различных способов адресации, что позволя­ет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач.

Развитие традиционных CISC

Архитектур микропроцессоров по пути рас­ширения функциональных возможностей и снижения затрат на программиро­вание привело к увеличению числа команд в наборе и числа микрокоманд в команде.

Следствием этого явилось усложнение интегральных схем и сни­жение быстродействия выполнения программ.

Один из возможных путей уст­ранения указанных недостатков состоит в использовании сокращенного набо­ра команд, организация которого подчинена увеличению скоростей их выпол­нения;

● RISC–архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с сокра­щенным набором команд (Reduced instruction Set Computer — RISC). Появле­ние RISC –архитектуры продиктовано тем, что многие CISC –команды и спо­собы адресации используются достаточно редко.

Основная особенность RISC–архитектуры проявляется в том, что система команд состоит из неболь­шого количества часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный цикл (такт) центрального процес­сора. Более сложные, редко используемые команды реализуются на про­граммном уровне.

Однако за счет значительного повышения скорости испол­нения команд средняя производительность RISC–процессоров может оказать­ся выше, чем у процессоров с CISC–архитектурой.

{xtypo_quote}Большинство команд RISC –процессоров связано с операцией регистр–регистр. Для обращения к памяти оставлены наиболее простые с точки зре­ния временных затрат операции загрузки в регистры и записи в память. {/xtypo_quote}

Современные RISC –процессоры реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наи­более простых способов адресации (регистровую, индексную и некоторые другие).

Для сокращения количества обращений к внешней оперативной памяти RISC –процессоры содержат десятки–сотни регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISC–процессорах всего 8–16 регистров.

За счет со­кращения аппаратных средств, необходимых для декодирования и выполне­ния сложных команд, достигается существенное упрощение интегральных схем RISC–процессоров и снижение их стоимости. Кроме того, значительно повышается производительность.

Благодаря указанным достоинствам во многих современных
CI SC –процессорах (последние модели Pentium и К7) ис­пользуется RISC–ядро. При этом сложные CI SC–команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC–операций и быстро вы­полняются RISC–ядром;

● VLIW–архитектуру, которая относится к микропроцессорам с использованием очень длинных команд (Very Large Instruction Word— VLIW). Отдельные поля команды содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций.

Одна VLIW –команда может выполнить сразу несколько операций одновремен­но в различных узлах микропроцессора.

Формирование «длинных» VLIW – koманд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня.

{xtypo_quote}VLIW –архитектура реализована в неко­торых типах современных микропроцессоров и является весьма перспектив­ной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процес­соров. {/xtypo_quote}

По способу организации выборки команд и данных различа­ют два вида архитектур:

● принстонская архитектура, или архитектура фон–Неймана, особенностью которой является (рис. 2.1.1) использование:

• общей основной (оперативной) памяти для хранения программ и данных, что позволяет оперативно и эффективно перераспределять ее объем в за­висимости от решаемых задач в каждом конкретном случае применении микропроцессора;

• общей шины, по которой в процессор поступают команды и данные, а в опе­ративную память записываются результаты, что значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные.

По умолчанию код операции загружается в регистр команд, а дан­ные — в блок регистров (рис. 2.1.1). Из–за ограниченного числа внешних выводов общая шина обычно работает в режиме временного мультиплек­сирования, т. е. противоположные направления обмена данными между микропроцессором, памятью или другими внешними устройствами разде­лены во времени.

Недостаток принстонской архитектуры

Использование общей шины для пе­редачи команд и данных ограничивает производительность цифровой системы;

● гарвардская архитектура (создатель Говард Айкен), особенностью которой является физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных (рис. 2.1.2). Это обстоятельство вызвано постоянно возрастающими требова­ниями к производительности микропроцессорных систем.

Память команд и память данных соединяются с процессором отдельными шинами.

Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их вы­борки (и записи результатов обработки) обеспечивается более высокая про­изводительность, чем при использовании принстонской архитектуры.

Недостатки гарвардской архитектуры

Усложнение конструкции из–за ис­пользования отдельных шин для команд и данных; фиксированный объем па­мяти для команд и данных; увеличение общего объема памяти из–за невоз­можности ее оптимального перераспределения между командами и данными.

Гарвардская архитектура получила широкое применение в микроконтрол­лерах — специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, а также во внутренней структуре современных высокопроизводи­тельных микропроцессоров в кэш–памяти с раздельным хранением команд и данных.

В то же время во внешней структуре большинства микропроцессор­ных систем реализуются принципы принстонской архитектуры.

Отметим, что архитектура микропроцессора тесно связана с его структурой. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введении в струк­туру микропроцессора соответствующих устройств и обеспечения механизмов их совместного функционирования.

Источник: https://pue8.ru/protsessory/663-arkhitektura-mikroprotsessorov-osnovnye-vidy-arkhitektur.html