Развитие микропроцессоров

Реферат на тему: 
 

Микропроцессоры 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Левченко  А. В.

202 группа 
 

Важнейший компонент  любого персонального - это его микропроцессор. Данный элемент в большей степени  определяет возможности вычислительной системы и, образно выражаясь, является его сердцем. До настоящего времени безусловным лидером в создании современных микропроцессоров остаётся фирма Intel. Микропроцессор, как правило, представляет из себя сверхбольшую интегральную схему, реализованную в едином полупроводниковом кристалле и способную выполнять функции центрального процессора. Степень интеграции определяется размерами кристалла и количеством реализованных в нём транзисторов. Часто интегральными микросхемы называют чипами (chips). 

К обязательным компонентам микропроцессора относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство и блок управления. Они характеризуются скоростью (тактовой частотой), разрядностью или длинной слова (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд. Архитектура микропроцессора определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а также типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие типы данных: бит(один разряд), байт (8 бит), 

слово (16 бит), двойное  слово (32 бита). Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью, портами ввода-вывода). 

Под конвейерным  режимом понимают такой вид обработки, при котором интервал времени, требуемый для выполнения процесса в функциональном узле (например, в арифметико-логическом устройстве) микропроцессора, продолжительнее, чем интервалы, через которые данные могут вводится в этот узел. Предполагается, что функциональный узел выполняет процесс в несколько этапов, то есть когда первый этап завершается, результаты передаются на второй этап, на котором используются другие аппаратные средства. Разумеется, что устройство, используемое на первом этапе, оказывается свободным для начала новой обработки данных. Как известно, можно выделить четыре этапа обработки команды микропроцессора: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. Иными словами, в ряде случаев пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться. 

С внешними устройствами микропроцессор может “общаться”благодаря  шинам адреса, данных и управления, выведенных на специальные контакты корпуса микросхемы. Стоит отметить, что разрядность внутренних регистров  микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных. Иначе говоря, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь, например только 16 линий внешних данных. Объём физически адресуемой микропроцессорной памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2 в степени N, где N - количество адресных линий. 

    Важнейшие  определения. 

Прежде чем  продолжить рассказ о микропроцессорах, напомним важные определения, которые  пригодятся в дальнейшем. 

Любое внешнее  устройство, совершающее по отношению к микропроцессору операции ввода-вывода, можно назватьпериферийным. 

Регистр представляет собой совокупность бистабильных устройств ( то есть имеющих два устойчивых состояния), предназначенных для  хранения информации и быстрого доступа  к ней. В качестве таких устройств в интегральных схемах используют триггеры. Триггер в свою очередь выполнен на транзисторных переключателях (электронных ключах). В регистре из N триггеров можно запомнить слово из N бит информации. 

Порт - это некая  схема сопряжения, обычно включающая в себя один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющая подключить, например периферийное устройство к внешним шинам микропроцессора. Практически каждая микросхема использует для различных целей несколько портов ввода-вывода. Каждый порт персональном компьютере имеет свой уникальный номер. Заметим, что номера порта - это, по сути, адрес регистра ввода-вывода, причём адресные пространства основной памяти и портов ввода-вывода не пересекаются. 

Под прерываниемпонимается  сигнал, по которому процессор узнаёт совершении некоторого асинхронного события. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а в место неё начинает выполнятся другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Прерывания можно классифицировать как аппаратные, логические и программные. Аппаратные прерывания обычно связаны с запросами от периферийных устройств (например, нажатие клавиши клавиатуры ), логические возникают при работе самого микропроцессора 

(деление на ноль), а программные инициализируются выполняемой программой и используются для вызова специальных подпрограмм. Кроме того, прерывания могут быть маскируемыми, то есть при определённых условиях (например, запрете на определение прерывания) микропроцессор не обращает на них внимание, и немаскируемыми. В последнем случае, как правило, должны обрабатываться почти катастрофические события (падение напряжения питания или ошибка памяти). В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективна такая передача данных в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена при передаче большого количества информации (например, при загрузке данных в память с внешнего накопителя). Довольно часто для адресов, номеров портов, прерываний и т. д. используется шестнадцатеричная система счисления. В этом случае после соответствующего числа стоит буква‘h’ (hexadecimal). 

    Семейство  процессоров x88/x86. 

Первый микропроцессор - i4004 - был изготовлен 1971 году и с  тех пор фирма Intel (INTegrated Electronics) прочно удерживает лидирующее положение на данном сегменте рынка. Стоит, пожалуй, напомнить, что максимальная тактовая чистота этого прапрадедушки современных“числодробилок” составляла всего 750 кГц. Реализация ряда следующих проектов фирмы Intel по разработке однокристаллических микропроцессоров (i4040, i8008) возвестила о наступлении новой эры персональных компьютеров. Наиболее успешным был, пожалуй, проект разработки микропроцессора i8080. Кстати, впоследствии именно на этом микропроцессоре был основан компьютер“Альтаир”, для которого молодой Бил Гейтс написал свой первый интерпретатор Бейсика. Этот 8-разрядный микропроцессор был выполнен по n-канальной МОП-технологии (n-MOS), а его тактовая частота не превышала 2 МГц. Не будет преувеличением сказать, что классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Несмотря на заслуженный успех i8080, настоящим промышленным стандартом для персональных компьютеров стал другой микропроцессор фирмы Intel. 

    i8088 

Микропроцессор i8088 был анонсирован Intel в июне 1979 года, а в 1981-м “Голубой Гигант”(фирма IBM) выбрал этот микропроцессор для  своего первого персонального компьютера и, надо сказать не ошибся. Новый чип содержал примерно 29 тысяч транзисторов. Одним из существенных достоинств микропроцессора i8088 была возможность (благодаря 20 адресным линиям) физически адресовать область памяти в 1 Мбайт. Здесь следует, правда, отметит, что для IBM PC в этом пространстве было отведено всего лишь 640 Кбайт. Хотя с внешними периферийными устройствами (дисками, видео) i8088 был связан внешнюю 8-разрядную шину данных, его внутренняя структура (адресуемые регистры) позволяла работать с 16-разрядными словами. 

Как известно, на системной шине IBM PC для передачи данных было отведено 8 линий (1 байт). Первоначально  микропроцессор i8088 работал на частоте 4, 77 МГц и имел быстродействие 0, 33 MIPS (Million Instruction Per Second), однако впоследствии были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8 МГц). 

    i8086 

Чип 8086, появившийся  ровно на год раньше своего счастливого  последователя (в июне 1978 года), стал популярен благодаря компьютеру Compaq DeskPro. Программная модель (доступные регистры) этого микропроцессора полностью совпадает с моделью i8088. Основное отличие данных микропроцессора состоит в различной разрядности внешней шины данных: 8 разрядов у i8088 и 16 у i8086. Понятно, что более высокой производительности с новым микропроцессором можно было достичь при использовании компьютера, на системной шине которого под данные предусмотрено 16 линий. Адресная шина микропроцессора i8086 по-прежнему позволяла адресовать 1 Мбайт памяти. 

    i80286 

Опираясь на архитектуру i8086 и учитывая запросы  рынка, в феврале 1982 года фирма Intel выпустила  свой новый микропроцессор - i80286. На кристалле было реализовано около 130 тысяч транзисторов. Надо сказать, что этот чип появился практически одновременно с новым компьютером фирмы IBM - PC/AT. Наряду с увеличением производительности этот микропроцессор (i80286) мог теперь работать в двух режимах - реальном и защищённом. Если первый режим был (за рядом исключений) похож на обычный режим работы i8088/86, то второй использовал более изощрённую технику управления памятью. В частности, защищённый режим работы позволял, например, таким программным продуктам, как Windows 3. 0 и OS/2, работать с оперативной памятью свыше 1 Мбайта. Благодаря 16 разрядам данных на новой системной шине, которая была впервые использована в IBM PC/AT286, мог обмениваться с периферийными устройствами 2-байтными сообщениями. 24 адресные линии нового микропроцессора позволяли в защищённом режиме обращаться уже к 16 Мбайтам памяти. В микропроцессоре i80286 впервые на уровне микросхем были реализованы многозадачность и управление виртуальной памятью. При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1, 2 MIPS. 

    i80386DX 

В октябре 1985 года фирмой Intel был анонсирован (представлен) первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Новый чип содержал примерно 275 тысяч транзисторов. Первым компьютером, использующий этот процессор, был Compaq Desk Pro 386 (другие источники говорят о лидерстве фирмы ALR). Полностью 32-разрядная архитектура (32-разрядные регистры и 32-разрядная внешняя шина данных) в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью MMU (Memory Management Unit), которая помимо блока сегментации (Segmentation Unit) было дополнено блоками управления страницами (Paging Unit). Это устройство позволяло легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое (свопинг) и освобождать драгоценные килобайты памяти. На тактовой частоте 16 МГц быстродействие нового процессора составляло примерно 6 MIPS. 

В реальном режиме (после включения питания) микропроцессор i80386 работал как“ быстрый i8088 ”(адресное пространство 1 Мбайт, 16-разрядные регистры). Защищённый режим был полностью  совместим с аналогичным режимом  в i80286. Тем не менее в этом режиме i80386 мог выполнять и свои 

“ естественные ”(native) 32-разрядные программы. Напомним, что 32 адресные линии микропроцессора  позволяли физически адресовать 4 Гбайта памяти. Кроме того был введён новый режим - виртуального процессора (V86). В этом режиме могли одновременно выполняться несколько задач, предназначенных для i8086. 

    i80386SX 

Более дешёвая  альтернатива 32-разрядному процессору i80386, который в последствии получил  окончание DX, появился только в июне 1988 года. То был процессор i80386SX. В отличие от своего старшего“ собрата ” новы микропроцессор использовал 16-разрядную шину внешних данных и 24-разрядную адресную (адресуемое пространство - 16 Мбайт). Это было особенно удобно для стандарта PC/AT, системная шина которых использует, как известно, только 16 линий данных. Благодаря дешевизне нового изделия многие производители“железа”стали заменять уже устаревший микропроцессор i80286 на более производительный i80386SX. Одним из решающих факторов для замены была полная совместимость 32-разрядных микропроцессоров: программное обеспечение, написанное для i80386DX, корректно работало и на i80386SX. Дело в том, что внутренние регистры их были полностью идентичны. Надо отметить, что уже к концу 1988 года микропроцессор i80386SX выпускался в количестве, существенно превосходящих рекордные показатели для i80386DX. Кстати, говорят, что индекс SX произошёл от слова SiXteen (шестнадцать), поскольку разрядность внешней шины данных нового тогда процессора была именно такой. В дальнейшем, правда, для 486-х процессоров SX стал означать отсутствие математического сопроцессора. 

    i486 

На осенней  выставке Comdex в 1989 году фирма Intel впервые  анонсировала микропроцессор i486DX, который  содержал более миллиона транзисторов (а точнее, 1, 2 миллиона) на одном кристалле и был полностью совместим с процессором ряда х86. Напомним, что на кристалле первого члена этого семейства - микропроцессора i8088 - насчитывалось около 29 тысяч транзисторов. В борьбе с микропроцессорами-клонами фирма Intel намеренно убрала из названия нового устройства число 80. Новая микросхема впервые объединила на одном чипе такие устройства, как центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память. Использование конвейерной архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволило достичь четырёхкратной производительности обычных 32-разрядных систем. Это связано с уменьшением количества тактов для реализации каждой команды. 8-Кбайтная встроенная кэш-память ускоряет выполнение программ за счёт промежуточного хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц микропроцессор показал производительность 16, 5 MIPS. Созданная в июне 1991 года версия микропроцессора с тактовой частотой 50 МГц позволила увеличить производительность ещё на 50%. Встроенный математический сопроцессор существенно облегчал и ускорял математические вычисления. Однако впоследствии стало ясно, что подобный сопроцессор необходим только 30% пользователей.