16 февруари 2016 г.

Микророцесор

Микропроцесорът обединява всички или повечето от функциите на централния процесор в една-единствена интегрална схема. Един или повече микропроцесори обикновено извършват изчисленията в компютъра.

Първият микропроцесор, Intel 4004, се появява на пазара през 1971 година в резултат на съвместна разработка на калкулатор между фирмите Intel и Busicom. Микропроцесорът Intel 4004 е 4-битов, т.е. данните, които обработва, са представени като 4-битови думи, работи с максимална тактова честота 740 kHz, поддържа 46 команди и е част от микропроцесорна система с още 3 периферни интегрални схеми.
По-късно се появяват 8-, 16-, 32- и 64-битови микропроцесори.

Концепцията на микропроцесора позволява да се създават разнообразни електронни устройства въз основа на един тип микропроцесор, като се използват едни и същи програмни средства за създаване на подобни управляващи програми. Това предопределя висока серийност и ниска цена на микропроцесорите, както и ниска стойност за разработка на програмата, а в резултат – бърза разработка и невисока цена на изделията.

Развитието на технологиите за проектиране и производство на интегрални схеми позволява създаването на все по-сложни и по-производителни микропроцесори. Съотношението между сложност, цена и време се описва от емпиричния Закон на Мур, според който сложността на интегралните схеми се удвоява на всеки 2 години, със същия темп растат общите производствени разходи за фабриките, а цената на единичните компоненти намалява. 

Микропроцесорите могат да се идентифицират по различни признаци, които определят до голяма степен производителността им. Това са ширина (разрядност), адресно пространство, скорост и производителност на микропроцесора. Скоростта на микропроцесорите се определя от честотата на управляващите импулси, която се измерва в мегахерци (MHz) и гигахерци (GHz) – брой тактове за секунда. Колкото по-голяма е тактовата честота, толкова по-голям брой операции се извършват за единица време. Ширината на микропроцесор се определя от спецификацията на три основни елемента: регистри, шини за данни и шини за адреси в паметта. Освен тези основни параметри, за качествата на микропроцесорите имат значение и следните допълнителни показатели: тип и големина на кеш-паметта, брой и степени (дълбочина) на конвейерните вериги, технологии ММХ, 3DNow! и Enhanced 3Dnow и други.

Разрядност
Според ширината /разрядността/ микропроцесорите биват 4, 8, 12, 16, 32, 64- битови:

4 битови
Първите микропроцесори създадени през 1971 г. Са 4 битови. Тогава Intel създава микропроцесора i4004 с разрядност 4 бита, адресира 640 байта памет, работи с тактова  честота  108  kHz и  има  производителност  0.06 MIPS (Million  instruction  per second - милиони инструкции за  секунда). Такъв  микропроцесор  може да работи като изчислително ядро на калкулатори. Съдържа е 2300 р-канални МОП транзистора и е изпълняван по 10 мкм технология.

8 битови
През 1972 година Intel пуска в продажба процесора i8008, който първоначално работи на честота 200 KHz и притежава 8-битова шина за данни. През 1974  година  се появява  8-битовия  процесор i8080,  с  който се  комплектовали различни терминали, контролери и смятаният за първи персонален компютър Altair. Той има 6000 транзистора, изработван е по 6 мкм технология, с тактова честота 2 MHz и  може да  адресира  64 КВ  памет.  Този микропроцесор  в  продължение на  почти  цяло десетилетие  се явява  световен  стандарт сред  8битовите  микропроцесори.

12 битови
Intersil 6100 семейството включва 12-битовия микропроцесор (самият 6100) и множество периферни устройства. Микропроцесорът разпознава множеството с инструкциите на DEC PDP-8 миникомпютъра. По тази причина е наричан CMOS-PDP8. С оглед на факта, че също е произвеждан от Harris Corporation, е известен и като Harris HM-6100. Благодарение на качествата на неговата CMOS технология със свързаните с това предимства, 6100 моделът е част от някои военни разработки до началото на 80-те.

16 битови
Първият  16-битов  процесор i8086  Intel  пуска през  1978  година. Той  е родоначалник  на знаменитото  семейство  Intel 80х86  (често  се означава  като  х86). Архитектурата на този процесор се отличава значително от архитектурата на предишните 8-битови  микропроцесори,  ориентирани за  решаване  на  несложни  задачи.  В  Intel  8086  са реализирани  голям набор  команди  и способи  на  адресация на  паметта  и е  обезпечена ефективна обработка на прекъсванията. Той работи с честота 5 MHz, има производителност 0.33 MIPS, изработен е по 3 мкм технология и има 29000 транзистора. Процесорът има 20-битова  шина  за адреси  и  16-битова шина  за  данни. Адресируемата  памет  е 1  МВ, регистровата архитектура и системата от команди съществено се отличават от тези на i8085, но се запазват общите идеи вложени в концепцията на микропроцесорите на фирмата.  Наред с  основния  микропроцесор е  разработен  и аритметичен  копроцесор  i8087, който се  включва  към i8086  за  изпълнение на  операции  с числа  с  плаваща запетая  (при изчисленията на тригонометрични, логаритмични и други математически функции)[6]. На следващата година се появява i8088 – същият микропроцесор, но с 8-битова шина за  данни. С  него  започва историята  на  най-популярните  компютърни системи  в  света и  в настоящият момент – IBM PC. През целият период на развитие на IBM PC компютрите, Intel е неразривно свързан с това развитие, докато IBM има доста по-малко участие в него.

32 битови

През 1985 година се появява първият 32-битов микропроцесор i80386. Той съдържа 275000 транзистора и е изпълняван по 1.5 мкм технология. Има 32-битова шина за данни и адреси,  а  адресируемата физическа  памет  достига 4  ГВ.  Усъвършенстван  е защитеният режим  на  работа и  се  въвежда странична  организация  на паметта.  Аритметическият копроцесор  i80387 е  въведен  за обработка  на  данни с  плаваща  запетая. Като  междинна версия е разработен вариант с 16-битова шина (адресируема памет 16 МВ) i80386SX, който е предназначен за замяна на процесорите i80286 в компютрите от типа IBM PC/AT. На основата на i80386 се появяват първите версии на Microsoft Windows и неговите приложения. От тогава датира така наречената ‘положителна обратна връзка’ – при появата на  всеки нов  процесор,  софтуерните компании  да  пускат нови  привлекателни  продукти, оползотворяващи възможностите им. Така новите софтуерни продукти постоянно изискват все по-мощни компютърни системи, а новите апаратни устройства изискват нови софтуерни продукти за ефективно използване на ресурсите им. Получава се затворен кръг, който може да  се  смята  за  естествен, но  големите  апаратни ресурси  не  стимулират софтуерните специалисти да разработват ефективни алгоритми за решаване на задачите. Типичен пример в това отношение е програмната среда Windows и разработваните на нейна основа приложни продукти. Някои наричат Windows най-големият вирус създаван в компютърните системи.  Благодарение на  ефективната  производствена  политика, компанията  Intel  има лидерска  позиция в  областта  на производството  на  микропроцесори  за персонални компютри.  В  началото на  90-те  години обаче,  редица  компании, работещи  в  областта на технологиите  за  производство на  високоинтегрирани  електронни схеми,  като  Advanced MicroDevices  (AMD), Cyrix,  Texas  Instruments, IBM  и  др. организират  производство  на микропроцесори, функционално аналогични на i80386 и i80486. По редица характеристики, като  производителност  и цена,  някои  от тях  превъзхождат  процесорите произвеждани  от Intel. Опитите на Intel, да защити по съдебен ред авторството на тези разработки претърпяват неуспех,  тъй като  в  американското законодателство,  числени  означения не  се  разглеждат като  запазена марка.  При  тези условия,  Intel  е принуден  да  съсредоточи усилията  си  в разработката  на микропроцесор  от  ново поколение  (пето  поколение), който  е  наречен Pentium (пети) – вместо i80586. 1993  е  годината  на  появата на  първите  микропроцесори  Pentium. Първоначално  те работят с тактова честота 60 и 66 MHz. Те са 32-битови микропроцесори с 64-битова шина за данни.  Съдържат около  3  100 000  транзистора  и е  използвана  0.8 мкм  технология.  В  тези микропроцесори  е внедрена  така  наречената Харвардска  архитектура  с разделяне  на потока  на командите  и  данните посредством  разделяне  на кеш-паметта  на  два блока  –  за команди и данни. Освен това, в Pentium се въвежда суперскаларна архитектура, при която няколко операции едновременно се изпълняват в четири паралелно работещи устройства: две за обработка на целочислени данни; едно за обработка на числа с плаваща запетая и едно за команди  с условен  преход.  Така изпълнението  на  командите се  организира  във вид  на конвейер, съдържащ пет последователни степени (конвейерна обработка на информацията). Паралелно с развитието на Pentium се работи и по модификацията Pentium Pro, който става родоначалник на ново поколение микропроцесори Р6 (Pentium от шесто поколение). Той  се отличава  с  разширяване на  конвейерната  обработка на  данните  (до 12  степени  на паралелно  заредени команди).  В  процесора е  реализирано  предварително изтегляне  на информация от паметта, която предстои да бъде обработена и изпълнение на операциите в зависимост  от това  дали  са готови  данните  за тях.  Така  естествената последователност  на изпълнение на командите може да не се спазва, като по-задна команда може да се изпълни преди някоя по-ранна, стига данните за нея да са готови.  В резултат на това се получава до 1.5  – 2  пъти  по-голяма  производителност,  при работа  с  32-битови операнди  (данни).  При работа с 16-битовите приложения (DOS), а така също и с Windows 95, Pentium Pro, не дава по-голяма производителност. Друго отличие на Pentium Pro е това, че в корпуса на микропроцесора е поместена още  една  интегрална  схема (силициев  кристал),  която осигурява  вторична  кеш-памет, работеща  с честотата  на  процесорното ядро  –  като начало  256  КВ. Микропроцесорът  е изграден  от 5 500 000 транзистора, а кристалът на вторичната  кеш-памет - от 15 500 000 транзистора. Двата кристала  се  свързват помежду си с отделна високоскоростна  шина, работеща с тактовата честота на микропроцесора. Използването  на две независими шини  е характерна особеност  на  процесорите от семейството  Р6.  Основната системна  шина  FSB (Front  Side  Bus) работи  с  тактова честота определена  от  възможностите на  микропроцесора  и системната  шина.  FSB шината  работи  с честоти  от  66, 100,  133,  200, 400  и  533 MHz. Отделната високоскоростна  шина BSB  (Back  Side Bus)  се  използва за  свързване  на вторичната  кеш-памет с процесора. Шината BSB обезпечава обмен на информацията с честота от половината до пълната вътрешна честота на микропроцесора (500 MHz 2 GHz)[6].

64 битови
През 2001 г., Intel представят първия 64-битов процесор за сървъри Itanium, последван през 2002 г. от подобрения Itanium 2. През 2003 г. AMD представя първите 64-битови процесори за x86-съвместими настолни компютри Athlon 64 и Athlon 64FX и първия 64-битов процесор за сървъри Opteron. През 2004 г. Intel представя серия от версии на процесора Pentium 4 за настолни компютри, които поддържат 64- битовото разширение Intel 64. След това през 2005 г., Intel въвеждат 64-битовите версии на процесорите Xeon за работни станции и сървъри и двуядрените 64-битови процесори Pentium D и Pentium Extreme Edition, които са последните процесори, използващи NetBurst. След изчерпване възможностите на NetBurst архитектурата, Intel създават редица 64-битови процесори, базирани на микроархитектурите Core, Atom и Nehalem. Успоредно с развитието на процесорите на Интел и в конкуренция с тях се развиват и процесорите на AMD. През 2005 г. са представени 64-битовите процесори от семейството Athlon 64 X2, които са първите двуядрени процесори за настолни компютри на AMD. През 2007 г. започва производството на 64-битови процесори с новата архитектура AMD K10, с кодово име Phenom.
При създаването на 64-битови процесори се използват два основни подхода:
• създаване на изцяло нова 64-битова архитектура, несъвместима с архитектурата х86 – използван от Intel и Hewlett Packard в архитектурата IA-64, приложена в процесорите Itanium и Itanium 2. Основното предназначение на тази архитектура е за сървъри. Отначало се предлагала и в качеството на платформа за настолни компютри, но след появатана архитектурата AMD64, запазваща съвместимостта с x86, производителите, в това число и Intel, се отказват да я използват за друго, освен за сървъри; въпреки че в края на 2001 г. е създадена специална 64-битова версия на Windows XP за IA-64.
• еволюция на съществуващата x86 архитектура, чрез добавяне на 64-битови изчислителни възможности – предложена от AMD през 1999 г. и за пръв път приложена през 2003 г. за процесорите Opteron – за сървъри и Athlon 64 и Athlon 64FX – за настолни компютри. Следвайки AMD, Интел създават своя версия на тази архитектура и за пръв път я използват през 2004 г. в процесорите Xeon с кодово име Nocona. Такава технология се осъществява и от други фирми като Via.


Адресно пространство

Физическата памет на 32-битова компютърна система е организирана като поредица от 8-битови полета (байтове). На всеки байт е съпоставен адрес, който представлява число от 0 до 2^32 -1 (4 GB – гигабайта). Програмите написани за този тип компютърни системи не са зависими  от физическото  адресно  пространство на  паметта.  Това означава,  че  програмите могат да бъдат писани без да се знае каква е наличната физическа памет в компютъра и къде в  паметта  ще бъдат  разположени  инструкциите и  данните  за програмата.  Моделът  на организация на паметта, допустим за приложните програмисти се определя от дизайнерите на  системния софтуер. Съществуват  “плоско” линейно пространство, състоящо се от един непрекъснат масив с големина до 4 GB. Сегментирано  адресно  пространство, състоящо  се  от линейни  пространства  (до 16383 броя) всяко с определена големина не надхвърляща 4 GB. При „плосък“ модел на организация на паметта, приложните програмисти разполагат с един масив от максимум 4 GB физическа памет. Обикновено, тази памет е много по-малка в съвременните  масово  разпространени  компютърни системи.  Процесорът  пренасочва 4-те гигабайта  плоско  адресно пространство  във  физическото пространство  посредством специален транслиращ механизъм. Указател в плоското адресно пространство е 32-битов пореден номер. Разполагането на компилираните програмни модули в това пространство се извършва от системния софтуер (свързващи програми, операционна система).  В сегментирания  модел  на организация  на  паметта,  за потребителските  програми адресното пространство е много по-голямо -  до 246  байта (64  TB – терабайта). Процесорът пренасочва 64-те терабайта  във  физически адреси (до 4  гигабайта) посредством  специален механизъм за адресна транслация. Програмистите разполагат с логическо адресно пространство,  което представлява  набор  от максимум  16383  едномерни подпространства, които имат определена дължина. Всяко от тези линейни подпространства се нарича сегмент. Сегментът е поредица от последователни адресни участъци. Адресите в сегментите започват от  0 и  се  наричат логически  адреси.  Истинският физически  адрес  се получава  като  към логическия адрес се прибави базовия адрес на сегмента. Големината на сегментите може да бъде от един байт до 4 гигабайта.

Няма коментари:

Публикуване на коментар