Центральное процессорное устройство

Размещено на http://www.allbest.ru/

Центральное процессорное устройство



Процессор

Центральный процессор (ЦП, или центральное процессорное устройство -- ЦПУ; англ. central processing unit, сокращенно -- CPU, дословно -- центральное обрабатывающее устройство) -- электронный блок либо микросхема -- исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором. Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

История

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом, затронувшим период с 40-х по конец 50-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 50-х до середины 60-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 60-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы -- элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора -- микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 70-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора -- микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-х разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции. Надо сказать, что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц[1] и стоил 300 долл.

Далее его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешевый 8088, упрощенная версия 8086, с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186.

В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.

Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5?5?0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

Перспективы

В ближайшие 10-20 лет, скорее всего, изменится материальная часть процессоров ввиду того, что технологический процесс достигнет физических пределов производства. Возможно, это будут:

Оптические компьютеры -- в которых вместо электрических сигналов обработке подвергаются потоки света (фотоны, а не электроны).

Квантовые компьютеры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовых процессоров.

Молекулярные компьютеры -- вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, органических). Молекулярными компьютерами используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого Джоном фон Нейманом.

Дж. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов.

Этапы цикла выполнения

Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения.

Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных и сообщает о готовности.

Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её.

Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, -- тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды остановка или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Конвейерная архитектура

Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

получение и декодирование инструкции,

адресация и выборка операнда из ОЗУ,

выполнение арифметических операций,

сохранение результата операции.

После освобождения k-й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по-прежнему необходимо выполнять выборку, дешифровку и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

Простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами).

Ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд -- out-of-order execution).

Очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода). Не существует единого мнения по поводу оптимальной длины конвейера: различные программы могут иметь существенно различные требования.



Суперскалярная архитектура

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора путем увеличения числа исполнительных устройств. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности, в то же время существует определенный предел роста числа исполнительных устройств, при превышении которого производительность практически перестает расти, а исполнительные устройства простаивают. Частичным решением этой проблемы являются, например, технология Hyper Threading.

CISC-процессоры

Complex instruction set computer -- вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC являются микропроцессоры семейства x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд: в начале процесса исполнения сложные команды разбиваются на более простые микрооперации (МОП'ы), исполняемые RISC-ядром).

RISC-процессоры

Reduced instruction set computer -- вычисления с упрощённым набором команд (в литературе слово «reduced» нередко ошибочно переводят как «сокращённый»). Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд, характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации.

Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Упрощение набора команд призвано сократить конвейер, что позволяет избежать задержек на операциях условных и безусловных переходов. Однородный набор регистров упрощает работу компилятора при оптимизации исполняемого программного кода. Кроме того, RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением.

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

MISC-процессоры

Minimum instruction set computer -- вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

VLIW-процессоры

Very long instruction word -- сверхдлинное командное слово. Архитектура процессоров с явно выраженным параллелизмом вычислений, заложенным в систему команд процессора. Являются основой для архитектуры EPIC. Ключевым отличием от суперскалярных CISC-процессоров является то, что для них загрузкой исполнительных устройств занимается часть процессора (планировщик), на что отводится достаточно малое время, в то время как загрузкой вычислительных устройств для VLIW-процессора занимается компилятор, на что отводится существенно больше времени (качество загрузки и, соответственно, производительность теоретически должны быть выше). Примером VLIW-процессора является Intel Itanium.

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Первым многоядерным микропроцессором стал POWER4 от IBM, появившийся в 2001 и имевший два ядра.

В октябре 2004 Sun Microsystems выпустила двухъядерный процессор UltraSPARC IV, который состоял из двух модифицированных ядер UltraSPARC III. В начале 2005 был создан двухъядерный UltraSPARC IV+.

14 ноября 2005 года Sun выпустила восьмиядерный UltraSPARC T1, каждое ядро которого выполняло 4 потока.

5 января 2006 года Intel представила первый двухъядерный процессор на одном кристале Core Duo, для мобильной платформы.

В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший объём кэша и рабочие частоты. В октябре 2007 года в продаже появились восьмиядерные UltraSPARC T2, каждое ядро выполняло 8 потоков.

10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла) четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona.[2] 19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для домашних компьютеров AMD Phenom[3]. Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырехъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхъядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач[источник не указан 808 дней].

К 1-2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объём кэша (по сравнению с первым поколением Phenom), процессоры стали изготавливается по 45-нм техпроцессу (это, соответственно, позволило снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты). В целом, AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстаёт от Intel Core i7[источник не указан 817 дней]. С выходом 6-ядерного процессора AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T ситуация немного изменилось в пользу AMD.

На данный момент массово доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами, а также 2, 3 и 4-модульные процессоры AMD поколения Bulldozer. В серверном сегменте также доступны 8-ядерные процессоры Xeon и Nehalem (Intel) и 12-ядерные Opteron (AMD)[4].

Кэширование

Кэширование -- это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэша, англ. cache) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней (обозначаются L1, L2 и L3 -- от Level 1, Level 2 и Level 3). Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того, кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить одновременно 64-битные запись и чтение, либо два 64-битных чтения за такт, AMD K8L может производить два 128-битных чтения или записи в любой комбинации. Процессоры Intel Core 2 могут производить 128-битные запись и чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большую латентность доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.



Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура отличается от архитектуры фон Неймана тем, что программный код и данные хранятся в разной памяти. В такой архитектуре невозможны многие методы программирования (например, программа не может во время выполнения менять свой код; невозможно динамически перераспределять память между программным кодом и данными); зато гарвардская архитектура позволяет более эффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она часто применяется во встраиваемых системах.

Параллельная архитектура

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):

SISD -- один поток команд, один поток данных;

SIMD -- один поток команд, много потоков данных;

MISD -- много потоков команд, один поток данных;

MIMD -- много потоков команд, много потоков данных.



Цифровые сигнальные процессоры

Для цифровой обработки сигналов, особенно при ограниченном времени обработки, применяют специализированные высокопроизводительные сигнальные микропроцессоры (DSP) с параллельной архитектурой.

Процесс изготовления

Первоначально перед разработчиками ставится техническое задание, исходя из которого принимается решение о том, какова будет архитектура будущего процессора, его внутреннее устройство, технология изготовления. Перед различными группами ставится задача разработки соответствующих функциональных блоков процессора, обеспечения их взаимодействия, электромагнитной совместимости. В связи с тем, что процессор фактически является цифровым автоматом, полностью отвечающим принципам булевой алгебры, с помощью специализированного программного обеспечения, работающего на другом компьютере, строится виртуальная модель будущего процессора. На ней проводится тестирование процессора, исполнение элементарных команд, значительных объёмов кода, отрабатывается взаимодействие различных блоков устройства, ведётся оптимизация, ищутся неизбежные при проекте такого уровня ошибки.

После этого из цифровых базовых матричных кристаллов и микросхем, содержащих элементарные функциональные блоки цифровой электроники, строится физическая модель процессора, на которой проверяются электрические и временные характеристики процессора, тестируется архитектура процессора, продолжается исправление найденных ошибок, уточняются вопросы электромагнитной совместимости (например, при практически рядовой тактовой частоте в 10 ГГц отрезки проводника длиной в 7 мм уже работают как излучающие или принимающие антенны).

Затем начинается этап совместной работы инженеров-схемотехников и инженеров-технологов, которые с помощью специализированного программного обеспечения преобразуют электрическую схему, содержащую архитектуру процессора, в топологию кристалла. Современные системы автоматического проектирования позволяют, в общем случае, из электрической схемы напрямую получить пакет трафаретов для создания масок. На этом этапе технологи пытаются реализовать технические решения, заложенные схемотехниками, с учётом имеющейся технологии. Этот этап является одним из самых долгих и сложных в разработке и иногда требует компромиссов со стороны схемотехников по отказу от некоторых архитектурных решений. Следует отметить, что ряд производителей заказных микросхем (foundry) предлагает разработчикам (дизайн-центру или fabless) компромиссное решение, при котором на этапе конструирования процессора используются представленные ими стандартизованные в соответствии с имеющейся технологией библиотеки элементов и блоков (Standard cell). Это вводит ряд ограничений на архитектурные решения, зато этап технологической подгонки фактически сводится к игре в конструктор «Лего». В общем случае, изготовленные по индивидуальным проектам микропроцессоры являются более быстрыми по сравнению с процессорами, созданными на основании имеющихся библиотек.

Технологический процесс в электронной промышленности

Следующим, после этапа проектирования, является создание прототипа кристалла микропроцессора. При изготовлении современных сверхбольших интегральных схем используется метод литографии. При этом, на подложку будущего микропроцессора (тонкий круг из монокристаллического кремния, либо сапфира) через специальные маски, содержащие прорези, поочерёдно наносятся слои проводников, изоляторов и полупроводников. Соответствующие вещества испаряются в вакууме и осаждаются сквозь отверстия маски на кристалле процессора. Иногда используется травление, когда агрессивная жидкость разъедает не защищённые маской участки кристалла. Одновременно на подложке формируется порядка сотни процессорных кристаллов. В результате появляется сложная многослойная структура, содержащая от сотен тысяч до миллиардов транзисторов. В зависимости от подключения транзистор работает в микросхеме как транзистор, резистор, диод или конденсатор. Создание этих элементов на микросхеме отдельно, в общем случае, не выгодно. После окончания процедуры литографии подложка распиливается на элементарные кристаллы. К сформированным на них контактным площадкам (из золота) припаиваются тонкие золотые проводники, являющиеся переходниками к контактным площадкам корпуса микросхемы. Далее, в общем случае, крепится теплоотвод кристалла и крышка микросхемы.

Затем начинается этап тестирования прототипа процессора, когда проверяется его соответствие заданным характеристикам, ищутся оставшиеся незамеченными ошибки. Только после этого микропроцессор запускается в производство. Но даже во время производства идёт постоянная оптимизация процессора, связанная с совершенствованием технологии, новыми конструкторскими решениями, обнаружением ошибок.

Следует отметить, что параллельно с разработкой универсальных микропроцессоров, разрабатываются наборы периферийных схем ЭВМ, которые будут использоваться с микропроцессором и на основе которых создаются материнские платы. Разработка микропроцессорного набора (чипсета, англ. chipset) представляет задачу, не менее сложную, чем создание собственно микросхемы микропроцессора.

В последние несколько лет наметилась тенденция переноса части компонентов чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в состав процессора (подробнее см. Система на кристалле).



Энергопотребление процессоров

С технологией изготовления процессора тесно связано и его энергопотребление. Первые процессоры архитектуры x86 потребляли мизерное (по современным меркам) количество энергии, составляющее доли ватта. Увеличение количества транзисторов и повышение тактовой частоты процессоров привело к существенному росту данного параметра. Наиболее производительные модели требуют до 130 и более ватт. Несущественный на первых порах фактор энергопотребления, сейчас оказывает серьезное влияние на эволюцию процессоров:

совершенствование технологии производства для уменьшения потребления, поиск новых материалов для снижения токов утечки, понижение напряжения питания ядра процессора;

появление сокетов (разъемов для процессоров) с большим числом контактов (более 1000), большинство которых предназначено для питания процессора. Так у процессоров для популярного сокета LGA775 число контактов основного питания составляет 464 штуки (около 60 % от общего количества);

изменение компоновки процессоров. Кристалл процессора переместился с внутренней на внешнюю сторону, для лучшего отвода тепла к радиатору системы охлаждения;

интеграция в кристалл температурных датчиков и системы защиты от перегрева, снижающей частоту процессора или вообще останавливающей его при недопустимом увеличении температуры;

появление в новейших процессорах интеллектуальных систем, динамически меняющих напряжение питания, частоту отдельных блоков и ядер процессора, и отключающих не используемые блоки и ядра;

появление энергосберегающих режимов для «засыпания» процессора, при низкой нагрузке.



Производители

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM. Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования, сходные с используемыми в процессорах компании Intel.

Среди процессоров от Intel: 8086, i286, i386, i486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др. AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 -- Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.). Процессоры IBM (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple. По данным компании IDC, по итогам 2009 г.на рынке микропроцессоров для настольных ПК, ноутбуков и серверов доля корпорации Intel составила 79,7 %, доля AMD -- 20,1 %.

В советское время одним из самых востребованных из-за его непосредственной простоты и понятности, стал задействованный в учебных целях МПК КР580 -- набор микросхем, копия набора микросхем Intel 82xx. Использовался в отечественных компьютерах, таких как Радио 86РК, ЮТ-88, Микроша, и т. д.

Разработкой микропроцессоров в России занимаются ЗАО «МЦСТ», НИИСИ РАН и ЗАО «ПКК Миландр». Также разработку специализированных микропроцессоров, ориентированных на создание нейронных систем и цифровую обработку сигналов, ведут НТЦ «Модуль» и ГУП НПЦ «ЭЛВИС». Ряд серий микропроцессоров также производит ОАО «Ангстрем».

НИИСИ разрабатывает процессоры серии Комдив на основе архитектуры MIPS. Техпроцесс -- 0.5 мкм, 0.3 мкм; КНИ.

КОМДИВ32 (en:KOMDIV-32), 1890ВМ1Т, в том числе в варианте КОМДИВ32-С (5890ВЕ1Т), стойком к воздействию факторов космического пространства (ионизирующему излучению)

КОМДИВ64 (en:KOMDIV-64), КОМДИВ64-СМП

Арифметический сопроцессор КОМДИВ128

ЗАО ПКК Миландр разрабатывает 16-разрядный процессор цифровой обработки сигналов и 2-х ядерный процессор:

2011 год, 1967ВЦ1Т -- 16-разрядный процессор цифровой обработки сигналов, частота 50 МГц, КМОП 0.35 мкм

2011 год, 1901ВЦ1Т -- 2-х ядерный процессор, DSP (100 МГц) и RISC (100 МГц), КМОП 0.18 мкм

НТЦ «Модуль» разработал и предлагает микропроцессоры семейства NeuroMatrix:

1998 год, 1879ВМ1 (NM6403) -- высокопроизводительный специализированный микропроцессор цифровой обработки сигналов с векторно-конвейерной VLIW/SIMD архитектурой. Технология изготовления -- КМОП 0.5 мкм, частота 40 МГц.

2007 год, 1879ВМ2 (NM6404) -- модификация 1879ВМ1 с увеличенной до 80 МГц тактовой частотой и 2Мбитным ОЗУ, размещённым на кристалле процессора. Технология изготовления -- 0.25 мкм КМОП.

2009 год, 1879ВМ4 (NM6405) -- высокопроизводительный процессор цифровой обработки сигналов с векторно-конвейерной VLIW/SIMD архитектурой на базе запатентованного 64-разрядного процессорного ядра NeuroMatrix. Технология изготовления -- 0.25 мкм КМОП, тактовая частота 150 МГц.

СБИС 1879ВМ3 - программируемый микроконтроллер с ЦАП и АЦП. Частота выборок до 600 МГц (АЦП) и до 300 МГц (ЦАП). Максимальная тактовая частота 150 МГц.

ГУП НПЦ ЭЛВИС разрабатывает и производит микропроцессоры серии «Мультикор», отличительной особенностью которых является несимметричная многоядерность. При этом физически в одной микросхеме содержатся одно CPU RISC-ядро с архитектурой MIPS32, выполняющее функции центрального процессора системы, и одно или более ядер специализированного процессора-акселератора для цифровой обработки сигналов с плавающей/фиксированной точкой ELcore-xx (ELcore = Elvees's core), основанного на «гарвардской» архитектуре. CPU-ядро является ведущим в конфигурации микросхемы и выполняет основную программу. Для CPU-ядра обеспечен доступ к ресурсам DSP-ядра, являющегося ведомым по отношению к CPU-ядру. CPU микросхемы поддерживает ядро ОС Linux 2.6.19 или ОС жесткого реального времени QNX 6.3 (Neutrino).

2004 год, 1892ВМ3Т (MC-12) -- однокристальная микропроцессорная система с двумя ядрами. Центральный процессор -- MIPS32, сигнальный сопроцессор -- SISD ядро ELcore-14. Технология изготовления -- КМОП 250 нм, частота 80 МГц. Пиковая производительность 240 MFLOPs (32 бита).

2004 год, 1892ВМ2Я (MC-24) -- однокристальная микропроцессорная система с двумя ядрами. Центральный процессор -- MIPS32, сигнальный сопроцессор -- SIMD ядро ELcore-24. Технология изготовления -- КМОП 250 нм, частота 80 МГц. Пиковая производительность 480 MFLOPs (32 бита).

2006 год, 1892ВМ5Я (MC-0226) -- однокристальная микропроцессорная система с тремя ядрами. Центральный процессор -- MIPS32, 2 сигнальных сопроцессора -- MIMD ядро ELcore-26. Технология изготовления -- КМОП 250 нм, частота 100 МГц. Пиковая производительность 1200 MFLOPs (32 бита).

2008 год, NVCom-01 («Навиком») -- однокристальная микропроцессорная система с тремя ядрами. Центральный процессор -- MIPS32, 2 сигнальных сопроцессора -- MIMD DSP-кластер DELCore-30 (Dual ELVEES Core). Технология изготовления -- КМОП 130 нм, частота 300 МГц. Пиковая производительность 3600 MFLOPs (32 бита). Разработан в качестве телекоммуникационного микропроцессора, содержит встроенную функцию 48-канальной ГЛОНАСС/GPS навигации.

В качестве перспективного проекта НПЦ ЭЛВИС представлен MC-0428 -- процессор MultiForce -- однокристальная микропроцессорная система с одним центральным процессором и четырьмя специализированными ядрами. Технология изготовления -- КМОП 130 нм, частота до 340 МГц. Пиковая производительность ожидается не менее 8000 MFLOPs (32 бита).

ОАО «Ангстрем» производит (не разрабатывает) следующие серии микропроцессоров:

1839 -- 32-разрядный VAX-11/750-совместимый микропроцессорный комплект из 6 микросхем. Технология изготовления -- КМОП, тактовая частота 10 МГц.

1836ВМ3 -- 16-разрядный LSI-11/23-совместимый микропроцессор. Программно совместим с PDP-11 фирмы DEC. Технология изготовления -- КМОП, тактовая частота 16 МГц.

1806ВМ2 -- 16-разрядный LSI/2-совместимый микропроцессор. Программно совместим с LCI-11 фирмы DEC.Технология изготовления -- КМОП, тактовая частота 5 МГц.

Л1876ВМ1 32-разрядный RISC микропроцессор. Технология изготовления -- КМОП, тактовая частота 25 МГц.

Компанией МЦСТ разработано и внедрено в производство семейство универсальных SPARC-совместимых RISC-микропроцессоров с проектными нормами 130 и 350 нм и частотами от 150 до 500 МГц (подробнее см. статью о серии -- МЦСТ-R и о вычислительных комплексах на их основе Эльбрус-90микро). Также разработан VLIW-процессор Эльбрус с оригинальной архитектурой ELBRUS, используется в комплексах Эльбрус-3М1). Основные потребители российских микропроцессоров -- предприятия ВПК.



Intel 8086

Intel 8086 (также известный как iAPX86) -- первый 16-битный микропроцессор компании Intel, разрабатывавшийся с весны 1976 года и выпущенный 8 июня 1978 года. Процессор имел набор команд, который применяется и в современных процессорах, именно от этого процессора берёт своё начало известная на сегодня архитектура x86.

Основными конкурентами микропроцессора i8086 были Motorola 68000, Zilog Z8000, чипсеты F-11 и J-11 семейства PDP-11, MOS Technology 65C816. В некоторой степени, в области военных разработок, конкурентами являлись процессоры-реализации MIL-STD-1750A.

Аналогами микропроцессора i8086 являлись такие разработки, как NEC V30, который был на 5 % производительнее i8086, но при этом был полностью с ним совместим. Советским аналогом являлся микропроцессор К1810ВМ86, входивший в серию микросхем К1810.

Предшественники

В 1972 году Intel выпустила 8008, первый 8-битный микропроцессор. Он использовал набор инструкций, разработанный корпорацией Datapoint для программируемых компьютерных терминалов, пригодный и для универсальных процессоров. Этот процессор требовал нескольких дополнительных микросхем для использования в полноценном компьютере, отчасти потому, что использовал маленький 18-пиновый корпус от микросхем DRAM, производимых Интел, и соответственно не мог иметь отдельную шину адресов.

Двумя годами позже, в 1974, был запущен 8080, в новом, 40-пиновом DIP-корпусе, первоначально разработанном для микросхем калькуляторов. Он имел отдельную шину адресов и расширенный набор инструкций, кодово- (не бинарно-) совместимый с 8008, дополненный для удобства программирования несколькими 16-битными инструкциями. Процессор i8080 часто называют первым по-настоящему удобным и полезным микропроцессором. В 1977 году он был заменён на i8085, с одним питающим напряжением (+5В) вместо трёх различных на предшественнике и несколькими другими усовершенствованиями. Наиболее известными соперниками были 8-битные Motorola 6800 (1974), Microchip PIC16X (1975) (здесь наверное имеется в виду процессор CP1600 фирмы General Instrument, который является предком микроконтроллеров Microchip http://en.wikipedia.org/wiki/PIC_microcontroller#History), MOS Technology 6502 (1975), Zilog Z80 (1976), и Motorola 6809 (1978).

Разработка

Проект 8086 был начат в мае 1976 года, и первоначально задумывался как временная замена для амбициозного и задерживающегося проекта iAPX 432 (также известного как 8800). Это была попытка, с одной стороны, противостоять менее запаздывавшим 16-ти и 32-битными процессорам других производителей (таких как Motorola, Zilog и National Semiconductor), а с другой - борьбы с угрозой от Zilog Z80 (разработанного командой под руководством ушедшего из Интел Фредерико Фаджин), который стал очень успешным. Первая версия архитектуры 8086 (система команд, прерывания, работа с памятью и вводом/выводом) была разработана с середины мая до середины августа Стивеном Морзе. Потом команда разработчиков была увеличена до четырёх человек, которые представили два основных проектных документа - 8086 Architectural Specifications и 8086 Device Specifications. При разработке не использовалось специализированных CAD-программ, а диаграммы были исполнены из текстовых символов. Использовались уже опробованные элементы микроархитектуры и физической реализации, в основном от i8085.



Описание

Рынок 8-разрядных микропроцессоров в конце 1970-х был переполнен, и Intel оставляет попытки на нём закрепиться и выпускает свой первый 16-битный процессор. Процессор i8086 представляет собой модернизированный процессор i8080 и, хотя, разработчики не ставили перед собой цель достичь полной совместимости на программном уровне, большинство программ написанных для i8080 способны выполняться и на i8086 после перекомпиляции. Новый процессор несёт в себе множество изменений, которые позволили значительно (в 10 раз) увеличить производительность по сравнению с предыдущим поколением процессоров компании.

Главные регистры AHALAX (primary accumulator) BHBLBX (base, accumulator) CHCLCX (counter, accumulator) DHDLDX (accumulator, other functions) Индексные регистры SISource Index DIDestination Index Указательные регистры BPBase Pointer SPStack Pointer Регистр состояния 1514131211109876543210(bit position) ----ODITSZ-A-P-CФлаги Сегментные регистры CSCode Segment DSData Segment ESExtraSegment SSStack Segment Указатель команды IPInstruction Pointer Регистры 8086



Регистры

Всего в процессоре i8086 было 14 16-разрядных регистров: 4 регистра общего назначения (AX, BX, CX, DX), 2 индексных регистра (SI, DI), 2 указательных (BP, SP), 4 сегментных регистра (CS, SS, DS, ES), программный счётчик или указатель команды (IP) и регистр флагов (FLAGS, включает в себя 9 флагов). При этом регистры данных (AX, BX, CX, DX) допускали адресацию не только целых регистров, но и их младшей половины (регистры AL, BL, CL, DL) и старшей половины (регистры AH, BH, CH, DH), что позволяло использовать не только новое 16-разрядное ПО, но сохраняло совместимость и со старыми программами (правда, их необходимо было, по крайней мере, перекомпилировать).

Шины

Размер шины адреса был увеличен с 16 бит до 20 бит, что позволило адресовать 1 Мбайт (220 байт) памяти. Шина данных была 16-разрядной. Однако в микропроцессоре шина данных и шина адреса использовали одни и те же контакты на корпусе. Это привело к тому, что нельзя одновременно подавать на системную шину адреса и данные. Мультиплексирование адресов и данных во времени сокращает число контактов корпуса до 40, но и замедляет скорость передачи данных.

Работа с памятью

1-й вариант. Для того чтобы адресовать больший, чем i8080, объём памяти, потребовалось изменить способ адресации памяти. Ведь если использовать старые методы, когда адрес к ячейке памяти содержался в указательных регистрах, то пришлось бы увеличивать размер этих самых регистров, чтобы иметь возможность обращаться к большему объёму памяти. Поэтому для адресации 1 Мбайт памяти применили следующую схему. На шину адреса подавался физический адрес размером 20 бит, который формировался путём сложения содержимого одного из сегментных регистров (16 бит), умноженного на 16, с содержимым указательного регистра: таким образом, адресация ячейки памяти производилась по номеру сегмента и эффективному адресу ячейки в сегменте (называемому также смещением). Если результат сложения оказывался больше, чем 220 -1, то 21-й бит отбрасывался; такая процедура называется «заворачиванием» адреса (англ. address wraparound). Этот метод впоследствии (после появления защищённого режима) назвали реальным режимом адресации процессора, такой режим позволяет адресовать до 1 Мбайт памяти.

2-й вариант. Для того чтобы адресовать 1 мегабайт памяти (20 бит адреса) с использованием 16-битных регистров используется сегментирование. Старшие 4 бит адреса выводятся на отдельные контакты корпуса, а младшие 16 выводятся на совмещённую шину адреса-данных. Но граница сегмента не жёсткая, а плавающая. Для того чтобы адресовать нужный сегмент используются 16-битные регистры сегмента, значение которых сдвигается на 4 бита вверх и складывается с указательным 16-битным регистром. Полученное значение - 20 битный адрес памяти или устройства выводится на контакты. Если результат сложения оказывался больше чем 1 мегабайт, выводятся только младшие 20 бит адреса, 21-бит отбрасывается.

Схема, показывающая работу реального режима адресации процессора Intel 8086 и выше

Таким образом, память разделяется на сегменты, размером 64 Кбайт каждый и начинающиеся с адреса, кратного 16 (граница параграфа); память в 1 Мбайт разделялась, таким образом, на 16 сегментов. Эти 16 сегментов называют страницами памяти. В компьютере, подобном IBM PC, последние 6 страниц (A, B, C, D, E, F) памяти (т. н. верхняя память -- англ. upper memory) использовались для видеопамяти и BIOS-а, это ограничивало память, доступную пользователю, объёмом в 640 Кбайт (т. н. обычная память -- англ. conventional memory; страницы 0~9).

На то время такой режим адресации обеспечивал множество преимуществ: ёмкость памяти могла составлять до 1 Мбайт, хотя команды оперировали 16-битными адресами; упрощалось использование отдельных областей памяти для программы, её данных и стека; упрощалась разработка устройств, совместимых друг с другом.

процессор кэширование компьютер контроллер

Система команд

Система команд процессора i8086 состоит из 98 команд (и более 3800 их вариаций): 19 команд передачи данных, 38 команд их обработки, 24 команды перехода и 17 команд управления процессором. Возможно 7 режимов адресации. Микропроцессор не содержал команды для работы с числами с плавающей запятой. Данная возможность реализовывалась отдельной микросхемой, называемой математический сопроцессор, который устанавливался на материнской плате. Сопроцессор, вовсе не обязательно должен был быть произвёден Intel (модель i8087), к примеру, некоторые производители микросхем, такие, как Weitek, выпускали более производительные сопроцессоры, чем Intel.

Система команд процессора i8086 включает в себя несколько очень мощных строчных инструкций. Если инструкция имеет префикс REP (повтор), то процессор будет выполнять операции с блоками - перемещение блока данных, сравнение блоков данных, присвоение определённого значения блоку данных определенной величины, и т.д., то есть одна инструкция 8086 с префиксом REP может выполнять 4-5 инструкций выполняемых на некоторых других процессорах. Но следует упомянуть, что подобные приёмы были реализованы и в других процессорах, Zilog Z80 имел инструкции перемещения и поиска блоков, а Motorola 68000 может выполнять операции с блоками, используя всего две команды.

В микропроцессоре i8086 была использована примитивная форма конвейерной обработки. Блок интерфейса с шиной подавал поток команд к исполнительному устройству через 6-байтовую очередь команд. Таким образом, выборка и выполнение новых команд могли происходить одновременно. Это значительно увеличивало пропускную способность процессора и лишало необходимости считывать команды из медленной памяти.

Схема, показывающая работу реального режима адресации процессора Intel 8086 и выше

1-й вариант. В персональных компьютерах процессор i8086 практически не использовался из-за дороговизны специализированных микросхем, которые были необходимы для работы процессора. Это поняли и в Intel, в 1979 году она выпускает процессор i8088, у которого шина данных была 8-битной.

2-й вариант. Из-за нехватки (ещё не были разработаны) вспомогательных 16-битных микросхем , и возможности использования большого парка 8-битных, а также для удешевления и уменьшения размеров плат, было решено выпустить 8-битный вариант процессора (i8088). В 70-е годы микросхемы динамической оперативной памяти имели 1-битную организацию и для 8 битной системы требовалось 8, а для 16-битной - 16 микросхем памяти. Поэтому выпуск 8 разрядной версии удешевлял производство и уменьшал размер печатной платы компьютера.

Но всё же в некоторых микрокомпьютерах применялся и i8086, одним из таких является Mycron 2000 -- первый коммерческий микрокомпьютер на базе i8086. Машина для обработки текстов IBM Displaywriter, Compaq DeskPro и Wang Professional Computer также использовали i8086.

Технические характеристики

Дата анонса: 8 июня 1978 года

Тактовая частота (МГц): от 4 до 10

5 (модель 8086), при частоте 4,77 производительность - 0,33 MIPS

8 (модель 8086-2, 0,66 MIPS)

10 (модель 8086-1, 0,75 MIPS)

Приблизительные затраты времени на операции, процессорных циклов (EA - время, необходимое для расчета эффективного адреса памяти, которое варьируется от 5 до 12 циклов):

Суммирование: 3-4 (регистровое), 9+EA - 25+EA - при операциях с памятью

Умножение: 70-118 (регистровое), 76+EA - 143+EA - при операциях с памятью

Перемещение данных: 2 (между регистрами), 8+EA - 14+EA - при операциях с памятью

Разрядность регистров: 16 бит

Разрядность шины данных: 16 бит

Разрядность шины адреса: 20 бит

Объём адресуемой памяти: 1 Мбайт

Адресное пространство I/O: 64 Кбайт

Количество транзисторов: 29 000

Техпроцесс (нм): 3000 (3 мкм)

Площадь кристалла (кв. мм): ~30 (по другим данным, 16 мм?)

Максимальное тепловыделение: 1,75 Вт

Напряжение питания: +5 В

Разъём: нет (микросхема припаивалась к плате)

Корпус: 40-контактный керамический или пластиковый DIP, позже - 56-контактный QFP и 44-контактный PLCC

Поддерживаемые технологии: 98 инструкций

Объём очереди команд: 6 байт

Размещено на Allbest.ru