МИКРОПРОЦЕССОРЫ  ПК  И  ИХ  РАЗВИТИЕ

Романов  Валерий  Викторович

студент  2  курса,  кафедра  Общегуманитарных  и  социально-экономических  дисциплин  Челябинский  Государственный  Педагогический  Университет,  филиал  в  г.  Миасс,  РФ,  г.  Миасс

E -mail: 

Дейкова  Татьяна  Васильевна

научный  руководитель,  ст.  преподаватель  кафедра  Общегуманитарных  и  социально-экономических  дисциплин  Челябинский  Государственный  Педагогический  Университет,  РФ,  г.  Миасс

E-mail: 

На  сегодняшний  день  самым  активно  развивающимся  элементом  компьютерных  технологий  является  микропроцессор.  Вычислительная  техника  пронизывает  практически  все  отрасли  деятельности  производства,  образования,  здравоохранения,  военная  техника,  т.  е.  все  сферы  жизни  и  деятельности  человека.  Основной  элемент  компьютера  и  другого  вычислительного  комплекса  —  это  процессор  и  от  его  быстродействия  зависит  время  обработки  информации.  Современная  вычислительная  техника  идет  по  пути  уменьшения  размеров  при  резком  возрастании  производительности.

Актуальность  данной  темы  определяется  тем,  что  будущее  развитие  вычислительной  техники  на  прямую  связано  с  научными  разработками  в  области  создания  микропроцессоров. 

Это  происходит  благодаря  интенсивному  развитию  технологии  по  которой  изготавливаются  микропроцессоры.  Можно  сказать,  что  развитие  процессоров  и,  вместе  с  ними  и  вычислительной  техники,  на  сегодняшний  день  имеют  большие  перспективы  и  возможности.  Большие  возможности  в  этом  направлении  имеет  применение  нано-технологий.

На  данный  момент  лидерами  рынка  по  производству  микропроцессоров  ПК,  являются  две  конкурирующие  между  собой  фирмы  Intel  и  AMD  (рис.  1).

Рисунок  1.  Микропроцессоры  Intel  и  AMD

В  данной  статье  рассматривается  краткий  исторический  обзор  микропроцессоров  Intel.

Первый  микропроцессор  Intel  4004  (рис.  2а)  представлял  собой  4-х  разрядный  однокристальный  микроконтроллер  с  набором  команд,  состоящим  из  45  инструкций,  и  с  адресным  пространством  4096  тетрад  (тетрада  образуется  четырьмя  двоичными  разрядами,  или  битами)  [1,  c.  36].  Обработка  данных  шла  порциями  по  4  бита,  при  длине  машинной  команды  8  бит,  что  позволило  иметь  46  инструкций.  Разделение  памяти  для  кодов  и  данных  (менее  1  Кб  для  данных  и  4  Кб  для  команд),  позволило  иметь  шестнадцать  4-битных  регистров  и  4-х  уровневый  стек.  Микропроцессор  i4004  имел  4-битную  архитектуру  и  состоял  всего  из  2300  транзисторов  при  технологии  изготовления  10  мкм.  Работал  на  частоте  108  КГц  (максимальный  разгон  возможен  до  740  КГц).

Микропроцессор  i4040  выпущенный  следующим  за  i4004  и  стал  последним  в  ряду  4-х  разрядных  микропроцессоров  Intel,  отличаясь  лишь  большей  скоростью  [1,  c.  36].

Рисунок  2.  Микропроцессор  Intel  4004  (а)  и  Intel  8080  (б)

В  1973  году  фирма  Intel  разрабатывает  более  совершенный  8-ми  разрядный  микропроцессор  i8008  —  усовершенствованный  восьми  разрядный  вариант  микропроцессора  i4004.  Адресное  пространство  памяти  было  расширено  до  16  Кбайт,  а  число  инструкций  достигло  48  [1,  c.  36]

В  1974  году  появился  микропроцессор  i8080  (рис.  2б),  ставший  весьма  популярным  устройством.  Имея  частоту  2  МГц,  он  мог  адресовать  64  Кб  памяти.  6000  транзисторов  позволила  разместить  6  мкм  технология  изготовления  [3,  c.  7].

Следующим  этапом  стал  микропроцессор  i8085.  Тактовая  частота  была  увеличена  до  5  МГц,  в  отличие  от  своего  предшественника  i8080.  Имея  6500  транзисторов  при  технологии  изготовления  3  мкм,  он  сохранил  популярную  регистровую  архитектуру  i8080  и  программную  совместимость. 

Микропроцессор  i8086  (рис.  3а),  стал  первым  16-разрядным  процессором,  который  выпустила  фирма  Intel  в  1978  году.  Имея  частоту  5  МГц,  технология  производства  3  мкм  позволила  разместить  29000  транзисторов.  Адресуемая  память  1  Мб  [3,  c.  30].  Микропроцессор  i8086  стал  базовым  для  целого  семейства  микропроцессоров,  которое  называют  семейством  80х86  или  х86  [5,  c.  14].

Рисунок  3.  Микропроцессор  Intel  8086  (а)  и  i80286  (б)

Микропроцессор  i8088  архитектурно  совместимый  с  процессором  i8086  и  имеющий  16-разрядные  регистры,  мог  оперировать  внешними  данными  размером  в  8  бит,  появился  чуть  позже  своего  предшественника  i8086.  Общее  число  команд  возросло  до  20000¹⁶.  Микропроцессоры  86/88  за  количество  и  сложность  системы  команд  получили  название  CISC  (процессор  с  полным  набором  команд)  [1,  c.  38].

Процессоры  i80186  и  i80188,  а  также  их  модификации  i80C186  и  i80C188  не  представляют  нового  поколения  архитектуры.  Все  они  являются  процессорами  с  16-разрядной  внутренней  архитектурой  и  программно  совместимыми  с  i8086.  Разрядность  шины  адреса  20  бит,  шины  данных  у  i80186  —  16  бит,  у  i80188  —  8  бит.  Помимо  того,  что  процессоры  могли  напрямую  обращаться  к  памяти,  также  они  имеют  встроенные  периферийные  контроллеры  прерываний,  трехканальный  таймер  и  генератор  синхронизации  [3,  c.  23].

Процессор  i80286  (рис.  3б),  представляет  второе  поколение  16-разрядных  микропроцессоров.  Выпущен  корпорацией  Intel  в  1982  году.  Особенностью  процессора  является  то,  что  он  имеет  специальные  средства  для  работы  в  многопользовательских  и  многозадачных  системах  [3,  c.  28].  При  технологии  изготовления  1,5  мкм  процессор  имел  134000  транзисторов  и  адресовал  до  16  Мбайт  физической  памяти.  Второй  не  менее  значимой  особенностью  процессора  i80286  —  это  защищенный  режим  и  виртуальная  память  размером  до  1  Гб  [3,  c.  30].

В  1986  году  фирма  Intel  выпускает  32-разрядный  микропроцессор  i80386  (рис.  4а),  весьма  существенно  отличающийся  от  своих  16-разрядных  предшественников.  Процессор  был  одним  из  первых  удачно  разработанных  микропроцессоров  фирмы  Intel  имеющий  32-разрядную  шину  адреса  и  данных  [1,  c.  39].  Увеличение  разрядности  внутреннего  адреса  вдвое,  обеспечило  адресацию  физической  памяти  до  4  Гб  и  виртуальной  до  64  Гб.  Впервые  на  материнской  плате  386  устанавливается  кэш-память  состоящая  из  элементов  памяти  доступа  позволяющая  значительно  ускорить  доступ  к  оперативной  памяти  [4,  c.  116,  117].

Рисунок  4.  Микропроцессор  Intel  80386(а)  и  Intel  Pentium  (б)

Процессор  i80486DX  с  наличием  1,2  млн.  транзисторов  которые  позволила  разместить  технология  изготовления  1  мкм,  появился  в  1989  году.  От  своего  предшественника  i80386  отличается  размещением  на  кристалле  первичного  кэша  и  встроенного  математического  сопроцессора  —  FPU.  С  целью  повышения  производительности  в  процессоре  i80486  применено  RISC  ядро  [3,  c.  31].

Так  же  были  выпущены  и  другие  разновидности  микропроцессоров  i80486,  известные  как  под  названием  Overdrive  —  процессоров  [1,  c.  40].

Следующим  шагом  в  повышении  производительности  компьютерных  систем  стало  появление  процессоров  Intel  Pentium  (рис.  4б)  [5,  c.  15].  Первые  32-разрядные  процессоры  Pentium  с  частотой  60—66  МГц  и  64-разрядной  шиной  данных,  появились  в  1993  году.  Наличие  3,1  млн.  транзисторов  позволила  иметь  технология  изготовления  0,8  мкм  [3,  c.  31]. 

Имелись,  так  же  модификации  работающие  на  полуторной  (100  МГц)  и  на  удвоенной  частоте  (120  и  133  МГц).  Самый  быстрый  вариант  Pentium,  выпущенный  фирмой  Intel  работал  на  частоте  233  МГц  [1,  c.  42].  В  сравнении  с  предшественником  i486  в  процессор  Intel  Pentium  был  добавлен  второй  конвейер  команд,  что  дало  более  высокую  скорость  выполнения  команд.  При  совместной  работе  конвейеров  команд  обеспечивается  выполнение  двух  инструкций  процессора  за  один  машинный  такт  [5,  c.  15].  Общий  объем  кэш-памяти  в  Pentium  составлял  16  Кбайт  (8  Кбайт  данных  и  8  Кбайт  инструкций).  Адресное  пространство  в  Pentium  составляет  4  Гб  [1,  c.  42].

Параллельно  с  Pentium  развивался  процессор  Pentium  Pro,  который  отличался  динамическим  исполнением,  направленным  на  увеличение  числа  параллельно  исполняемых  инструкций.  В  корпусе  Pentium  Pro  размещен  вторичный  кэш,  работающий  на  частоте  ядра  объемом  256  Кбайт.  Количество  транзисторов  в  Pentium  Pro  увеличено  на  2,4  млн.  по  сравнению  с  процессором  Pentium  и  равняется  5,5  млн.  транзисторов  ядра  и  15,5  млн.  транзисторов  для  вторичного  кэша,  объем  которого  равен  256  Кбайт. 

Первый  процессор  с  частотой  150  МГц  появился  в  начале  1995  года  изготовленный  по  технологии  0,6  мкм,  а  уже  в  конце  года  были  достигнуты  частоты  166,  180  и  200  МГц.  Технология  изготовления  составила  0,35  мкм,  а  кэш  увеличен  до  512  Кб  [3,  c.  32].  При  наличии  трех  конвейеров,  возможно  выполнение  трех  команд  за  один  такт.  Адресное  пространство  увеличено  до  64  Гб,  а  ширина  шины  адреса  36  бит  [1,  c.  45].

Процессор  Pentium  MMX  который  представляет  собой  наиболее  существенное  улучшение  архитектуры  процессоров  Intel  с  момента  появления  i80386,  был  анонсирован  фирмой  Intel  8  января  1997  года  [6,  c.  125—126].  Технология  MMX  была  призвана  ускорить  выполнение  мультимедийных  приложений,  в  частности  операций  с  изображениями  и  обработки  сигналов.  Процессоры  Pentium  MMX  имеют  4,5  млн.  транзисторов  и  выполнены  по  технологии  0,35  мкм  [3,  c.  32].

Микропроцессор  Pentium  II  (рис.  5а)  с  точки  зрения  конструкции,  стал  совершенно  новым  для  процессоров  Intel  и  был  выпущен  в  1997  году.  Процессор  выполнен  в  виде  компактной  печатной  платы,  на  которой  дополнительно  установлена  кэш-память  второго  уровня  (L2). 

В  Pentium  II  кэш  L2  объемом  512  Кбайт  функционирует  на  частоте  133  МГц  и  объединены  с  процессором  в  модуле  [1,  c.  45].  Процессор  Pentium  II  с  более  высокой  тактовой  частотой  и  введенной  поддержкой  MMX,  представлял  собой  слегка  урезанный  вариант  ядра  Pentium  Pro.  Первые  экземпляры  имели  частоту  ядра  233,  266  и  300  МГц,  при  технологии  изготовления  этих  процессоров  составила  0,35  мкм,  а  летом  1998  года  была  достигнута  частота  450  МГц,  при  технологии  изготовления  0,25  мкм.  Причем  внешняя  тактовая  частота  с  66  МГц  возросла  до  100  МГц  [3,  c.  33].

Рисунок  5.  Микропроцессор  Intel  Pentium  II

В  середине  1998  года  корпорация  Intel  объявила  о  выпуске  новой  версии  Pentium  II  —  Pentium  Xeon  (рис.  5б).  Pentium  Xeon  был  специально  разработан  для  обслуживания  серверов  и  сильно  нагруженных  рабочих  станций.  В  отличие  от  Pentium  II  процессор  Pentium  Xeon  обладает  большей  кэш-памятью:  L1  —  32  Кб,  L2  —  512  Кб  или  1  Мб  или  даже  2  Мб.  Работает  Pentium  Xeon  с  чипсетом  440GX,  и  на  его  основе  возможно  построение  4-х  процессорной  системы,  подобно  Pentium  Pro)  [1,  c.  45].

Процессор  Intel  Pentium  III  пришел  на  смену  Pentium  II  в  январе  1999  года. 

Основное  отличие  данного  процессора  от  Pentium  II  состоит  в  том,  что  он  поддерживает  набор  из  70  новых  команд  (SIMD  —  инструкций)  групповой  обработки  данных  с  плавающей  точкой  (50  команд)  и  дополнительные  команды  групповой  обработки  целочисленных  данных  (20  команд)  [4,  c.  133]. 

При  увеличении  быстродействия  ядра  Pentium  III  технические  характеристики  остались  на  уровне  Р6  (Pentium  Pro).  При  увеличении  тактовой  частоты  до  1  Ггц,  кэш-память  L1  составляет  512  Кб,  а  L2  —  256  Кб.  Кэш  L1  работает  на  половинной  частоте,  а  частота  системной  шины  составляет  100  МГц  [1,  c.  46].

Первые  процессоры  Celeron  выпущенные  фирмой  Intel  в  апреле  1998  года  —  это  упрощенные  процессоры  Pentium  II.  Отличие  процессоров  Pentium  II  и  Celeron  состоит  в  отсутствии  дорогих  микросхем  кэш-памяти  L2  в  картридже.  После  появления  Pentium  III  и  IV,  фирма  Intel  продолжила  выпуск  процессоров  Celeron.  Процессоры  Celeron  являются  упрощенными  вариантами,  выпускающихся  в  данный  момент  процессоров  [4,  c.  134—135].

Первые  процессоры  Pentium  IV  корпорация  Intel  выпустила  в  ноябре  2000  года.  Они  имели  большое  изменение  а  архитектуре  32-разрядных  процессоров  Intel  и  работали  на  тактовых  частотах  1,4  и  1,5  ГГц.  Ядро  процессора  получившее  название  Willamette  было  выполнено  по  технологии  0,18  мкм. 

Модернизация  позволила  не  только  значительно  увеличить  тактовую  частоту  процессора,  но  и  увеличить  количество  команд,  обрабатываемых  за  один  такт  [4,  c.  143—144]. 

Процессор  Pentium  IV  (рис.  6а)  использовал  архитектуру  NetBurst,  которая  позволила  на  долгие  годы  считать  самой  главной  характеристикой  процессора  тактовую  частоту  ядра  [4,  c.  144].

Рисунок  6.  Микропроцессор  Intel  Pentium  IV  (а)  и  Intel  Pentium  IV  Extreme  Edition  (б)

Основной  проблемой  архитектуры  NetBurst  является  рост  температуры  процессора  с  ростом  частоты  кристалла  [4,  c.  144].  Размер  кэш-памяти  L1  уменьшен  до  8  Кб,  кэш  L2  остался  прежним,  как  и  в  Pentium  III,  256  Кб  [1,  c.  46].

В  2003  году  были  выпущен  Pentium  IV  Extreme  Edition  (рис.  6б),  который  был  модернизацией  процессоров  Pentium  IV  с  ядром  Northwood  и  кэш  L3  объемом  до  2  Мб.  Диапазон  изменения  тактовой  частоты  для  разных  моделей  составлял  3,2—3,466  ГГц,  а  частота  системной  шины  —  800  или  1066  МГц.  Процессор  Pentium  Extreme  Edition,  имеющий  два  физических  ядра  и  два  виртуальных,  поддерживает  одновременную  обработку  четырех  потоков  команд  [4,  c.  149].

Современные  научные  достижения  совершенствуют  технологии  микропроцессоров:  количество  транзисторов  уже  исчисляется  миллиардами,  а  расстояние  между  ними  измеряется  не  в  мкм,  а  в  нанометрах  (32  нм  у  AMD  FX).

Семейство  процессоров  Core  2  считается  восьмым  поколением  процессоров  Intel  для  архитектуры  х86,  которое  представлено  огромным  разнообразием  моделей,  известных  под  названием  Core  2  Duo  (двухъядерные)  (рис.  7а)  и  Intel  Core  2  Quad  (четырехъядерные)  [4,  c.  150].

Рисунок  7.  Микропроцессоры  Intel  Core  2  и  Intel  Core  2  Extreme

В  2006  г  первые  процессоры  Core  2  были  изготовлены  по  технологии  65  нм  и  имели  ядро  с  условным  названием  Conroe.  В  2007  году  после  освоения  техпроцесса  45  нм,  стали  выпускаться  процессоры  с  ядром  под  условным  названием  Penryn.  Серверные  модели  семейства  Intel  Core  2,  выпускаются  с  модернизированными  ядрами,  которые  носят  свои  условные  названия  [4,  c.  150—151].  Наиболее  высокопроизводительные  процессоры  серии  Core  2  носят  название  Core  2  Extreme  (рис.  7б).  Характеристики  процессоров  Intel  Core  2  Duo,  Intel  Core  2  Quad  и  Intel  Core  2  Extreme  приведены  в  таблице  1  [4,  c.  153—154].

Таблица   1.

Технические  характеристики  Intel  Core  2  Duo,  Intel  Core  2  Quad  и  Intel  Core  2  Extreme

Процессоры  Core  2  Extreme  с  разблокированным  множителем  тактовой  частоты  ядра.  Технические  характеристики  процессора  Intel  Core  2  Extreme  представлены  в  таблице  2  [4,  c.  154—155].

Core  i7  (рис.  8)  —  прямой  потомок  процессора  8088,  который  использовался  в  первой  модели  IBM  PC.  Презентация  Core  i7  состоялась  в  ноябре  2008  года.  Публике  было  представлено  четырехпроцессорное  ЦПУ  с  731  млн.  транзисторов,  частотой  до  3,2  ГГц  и  шириной  строки  45  нанометра.  Понятие  ширина  строки  обозначает  ширину  проводников  между  транзисторами,  чем  меньше  эта  величина,  тем  больше  транзисторов  умещается  на  одной  микросхеме.  Исходный  выпуск  архитектуры  Core  i7  базировался  на  архитектуре  Nahalem,  однако  новые  версии  Core  i7  строятся  на  базе  новой  архитектуры  Sandy  Bridge,  которая  увеличилась  до  1,16  млрд.  транзисторов  и  работает  на  скорости  3,5  ГГц  с  шириной  строки  32  нанометра.  С  точки  зрения  программного  обеспечения  Core  i7  представляет  собой  64-разрядную  машину  и  является  многоядерным  процессором,  с  разным  числом  внутренних  процессов  —  от  2  до  6.  В  таблице  2  приведены  технические  характеристики  процессоров  Intel  Core  i7  [4,  c.  158].

Таблица  2.

Технические  характеристики  Intel  Core  i7

Микроархитектура  Core  i7  базирующийся  на  архитектуре  своих  предшественников  Core  2  и  Core  2  Duo  может  выполнять  до  четырех  команд  одновременно,  что  позволяет  рассматривать  его  как  4-х  кратную  суперскалярную  машину.  В  процессорах  Core  i7  используется  трехуровневый  кэш:  разделенный  на32-килобайтный  кэш  данных  и  32-килобайтный  кэш  команд.  Каждое  ядро  имеет  свой  собственный  256-килобайтный  кэш  второго  уровня  (L2).  Все  ядра  совместно  используют  один  унифицированный  кэш  третьего  уровня  (L3),  может  быть  от  4  до  15  Мб  в  зависимости  от  модели  процессора  [7,  c.  227—228].

Рисунок  8.  Микропроцессор  Intel  Core  i7

Список  литературы:

1.Барри  Брэй  Микропроцессоры  Intel:  8086/8088,  80186/80188,  80286,  80386,  80486,  Pentium,  Pentium  Pro  Processor,  Pentium  II,  Pentium  III,  Pentium  4.  Архитектура,  программирование  и  интерфейсы.  6-е  изд.,  пер.  с  англ.  СПб.:  БХВ-Петербург,  2005.  —  1328  с. 

2.Гук  М.  Процессоры  Intel:  от  8086  до  Pentium  II.  СПб.:  Питер,  1998.  —  224  с. 

3.Гук  М.,  Юров  В.  Процессоры  pentium  III,  Athlon  и  другие.  СПб.:  Питер,  2000.  —  480  с. 

4.Колесниченко  О.В.,  Шишигин  И.В.,  Соломенчук  В.Г.  Аппаратные  средства  РС.  6-е  изд.,  перераб.  и  доп.  СПб.:  БХВ-Петербург,  2010.  —  800  с.  (В  подлиннике). 

5.Магда  Ю.С.  Ассемблер  для  процессоров  Intel  Pentium.  СПб.:  Питер,  2006.  —  410  с. 

6.Рашид  Мухамедов  Развитие  процессоров  Intel:  1971—1993  //  Часть  I  —  от  4004  до  8088:  [сайт].  [2003].  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://overclockers.ru/lab/15496/Razvitie_processorov_Intel_1971  -  1993.html  (дата  обращения  10.01.2014). 

7.            Таненбаум  Э.,  Остин  Т.  Архитектура  компьютера.  6-е  изд.  СПб.:  Питер,  2013.  —  816  с.