Микропроцессоры

Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в противоположность реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-х битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Микропроцессоры типа CISC

Микропроцессор CISC использует набор машинных инструкций, полностью соответствующий набору команд языка ассемблера. Вычисления разного типа в нем могут выполняться различными командами, даже если они приводят к одному результату (например, умножение на два и сдвиг на один разряд влево). Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой команды обычно требуется большое число тактов процессора.

Для CISC-процессоров характерно:
сравнительно небольшое число регистров общего назначения;
большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов;
большое количество методов адресации;
большое количество форматов команд различной разрядности;
преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

Организация первых моделей процессоров - i8086/8088 - была направлена, в частности, на сокращение объёма программ, критичного для систем того времени, отличавшихся малой оперативной памятью. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволило уменьшить размер программ, а также трудоёмкость их написания и отладки. Однако увеличение числа команд повысило трудоёмкость разработки их топологических и микропрограммных реализаций. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе. Кроме того, нерегулярность потока команд ограничила развитие топологии временным параллелизмом обработки инструкций на конвейере “выборка команды- дешифрация команды- выборка данных- вычисление- запись результата”.

Эти недостатки обусловили необходимость разработки альтернативной архитектуры, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества. Это было реализовано в RISC-процессорах, название которых означает “чипы с сокращённой системой команд” (Reduced Instruction Set Computer).

Микропроцессоры типа RISC

Микропроцессоры с архитектурой RISC ( Reduced Instruction Set Computers ) используют сравнительно небольшой (сокращённый ) набор наиболее употребимых команд, определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения CISC (Complex Instruction Set Computer )- процессоров исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Арифметику RISC - процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту ( значит, и производительность ) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC - процессоры с самого начала ориентированны на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC - процессорах. Поэтому RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высокопроизводительней, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ). Дейв Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC :

1. Любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа.

2. Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины.

3. Операции обработки данных реализуются только в формате “регистр - регистр“ (операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки\записи ).

4. Состав системы команд должен быть “ удобен “ для компиляции операторов языков высокого уровня

VLIW

В попытке достижения компромисса между CISC и RISC были созданы микропроцессоры типа VLIW. Хотя идеи VLIW сформулированы уже давно, до настоящего времени они были известны в основном специалистам в области компьютерных архитектур. Имеющиеся реализации, например, VLIW Multiflow, не получили широкого распространения. Пожалуй, единственными популярными процессорами, архитектура которых близка к VLIW, была линия AP-120B/FPS-164/FPS-264 компании Floating Point Systems, которые в 80-е годы активно применялись при проведении научно-технических расчетов.

Команда в этих системах содержала ряд полей, каждое из которых управляло работой отдельного блока процессора, так что все командное слово определяло поведение всех блоков процессора [5]. Однако длина команды в FPS-х64 была равна всего 64 разрядам, что по современным меркам никак нельзя отнести к сверхбольшим.

Выделение в архитектуре VLIW компонентов командного слова, управляющих отдельными блоками МП, вводит явный параллелизм на уровень команд. Задача обеспечения эффективного распараллеливания работы отдельных блоков возлагается при этом на компилятор, который должен сгенерировать машинные команды, содержащие явные указания на одновременное исполнение операций в разных блоках. Таким образом, достижение параллелизма, обеспечиваемое в современных суперскалярных RISC-процессоров их аппаратурой, в VLIW возлагается на компилятор. Очевидно, что это вызывает сложные проблемы разработки соответствующих компиляторов. При этом распараллеливание работы между ФУ в EPIC происходит статически при компиляции, в то время как современные суперскалярные RISC-процессоры осуществляют это динамически.

Микропроцессоры фирмы Intel.

Микропроцессор 4004

В 1971 году появился первый микропроцессор корпорации Intel, 4004 был четырехбитовым, то есть он мог хранить, обрабатывать и записывать в память или считывать из нее четырехбитовые числа, предназначался данный микропроцессор для калькуляторов. Чип 4004 оказался средством более мощным чем лучший в мире компьютер того времени - ENIAC - компьютер американского правительства. 4004 мог обрабатывать 60000 инструкций в секунду, в сравнении с 5000 инструкций ENIAC, при этом чип легко умещался на кончике пальца - размер его не превышал 1/6 на 1/8 дюйма. ENIAC же занимал площадь в 3000 квадратных футов и весил 30 тонн. Хофф сделал изобретение столь же значительное, каковым в свое время оказалась интегральная схема Нойса. Процессор называли тогда «компьютер-на-чипе», поскольку все арифметические и логические функции компьютера умещались теперь на чипе размером со шляпку гвоздя. 4004 стал поистине революционным изобретением, открывшем путь к созданию искусственных ин­теллектуальных систем вообще и персонального компьютера в частности.

Микропроцессоры 8086-8088

В 1978 году фирма Intel первой выпустила 16-битный микропроцессор 8086, микропроцессор 8086 оказался "прародителем" целого семейства, которое называют семейством 80x86 или х86. На смену микропроцессора 8086 пришел микропроцессор 8088, архитектурно повторяющий микропроцессор 8086 и имеющий 16-битный внутренние регистры, но его внешняя шина данных составляет 8 бит. Крупная партия этих устройств, приобретенная вновь образованным подразделением корпорации IBM по разработке и производству персональных компьютеров, сделала процессор 8088 "мозгом" — IBM PC.

Микропроцессор Intel 386

В 1985 году был разработан микропроцессор Intel 386 насчитывающий уже 275000 транзисторов, число которых, по сравнению с первым процессором 4004, увеличилось более чем в 100 раз. Это был 32-разрядный "многозадачный" процессор с возможностью одновременного выполнения нескольких программ. Несмотря на введение в него последних достижений микропроцессорной техники, 80386 сохраняет совместимость по объектному коду с программным обеспечением, в большом количестве написанным для его предшественников, 8086 и 80286. Особый интерес представляет такое свойство 80386, как виртуальная машина, которое позволяет 80386 переключаться в выполнении программ, управляемых различными операционными системами, например, UNIX и MS-DOS. Благодаря 32-битной архитектуры 80386 обеспечивает программные ресурсы, необходимые для поддержки "больших" систем, характеризуемых операциями с большими числами, большими структурами данных, большими программами (или большим числом программ) и т.п.

Процессор Pentium III

1999 год корпорация Intel представила процессоры Pentium III и Pentium III Xeon. В процессоре Intel Pentium III, самом современном и быстродействующем процессоре корпорации Intel для настольных ПК того времени, воплощены последние технологические достижения, обеспечивающие беспрецедентную производительность, управляемость и удобство работы с Internet. Основная инновация для пользователей Internet и информативных мультимедиа-приложений - это потоковые SIMD-расширения. Входящие в них 70 новых команд значительно расширяют возможности обработки изображений, 3D-графики, звуковых и видеопотоков, а также распознавания речи. Благодаря мощности, достаточной и для следующего поколения Internet-приложений, процессор Pentium III – отличный выбор для пользователей ПК, смотрящих далеко в будущее.

Возможности Core i7

Логотип процессоров семейства Core i7 Extreme Edition

Данная микроархитектура содержит ряд новых возможностей. Вот лишь некоторые из них, по сравнению с Core 2:
У процессоров для разъема LGA 1366, FSB заменена на QPI (QuickPath Interconnect). Это означает, что материнская плата должна использовать чипсет, который поддерживает QuickPath Interconnect. На июль 2010 только чипсет Intel X58 поддерживает эту технологию.
Core i7 не предназначен для многопроцессорных материнских плат, поэтому имеется только один интерфейс QPI.
Процессоры Core ix для разъема LGA 1156 не используют внешнюю шину QPI. Она не требуется в связи с полным отсутствием северного моста (полностью интегрирован в процессор и связан с ядрами по внутренней шине QPI на скорости 2.5 гигатранзакции в cекунду).
Контроллер памяти в Core i7 9xx поддерживает до 3-х каналов памяти, и в каждом может быть один или два блока памяти DDR3 DIMMs. Поэтому материнские платы на s1366 поддерживают до 6 планок памяти, а не 4, как Core 2. Контроллер памяти в Core i7, i5 и i3 на сокете 1156 по-прежнему двухканальный.
Поддержка только памяти стандарта DDR3 1333 МГц.
Однокристальное устройство: все ядра, контроллер памяти (а в Core i7 8xx и контроллер PCI-E), и кэш находятся на одном кристалле.
Поддержка Hyper-threading, с которым получается до 12 (в зависимости от модели CPU) виртуальных ядер. Эта возможность была представлена в архитектуре NetBurst, но от неё отказались в Core.
8 (Или 12 в шестиядерных моделях) мегабайт кэша L3.
Поддержка Turbo Boost, с которым процессор автоматически увеличивает производительность тогда, когда это необходимо.