Процессоры PC. Эволюция 1971-2012

Министерство  образования Российской Федерации

Тверской  государственный  технический университет

Кафедра программного обеспечения  и программирования 
 
 
 
 
 

Реферат по предмету: Организация  ЭВМ и систем

на  тему: Процессоры PC. Эволюция 1971-2012 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила: Боровицкая И.И.

Проверил: Калабин А.Л. 
 
 
 
 
 
 

Тверь 2012

Содержание

1. Введение                                                                                                                     3
2. Понятие ЦП                                                                                                               4
3. Логическая структура ЦП                                                                                      4
4. Структурная схема процессора                                                                              6
5. Характеристики процессора                                                                                   8
6. Эволюция развития                                                                                                10
7. Перспективы                                                                                                             12                                                                                                          
8. Заключение                                                                                                                20
9. Глоссарий                                                                                                                   21
10. Список литературы                                                                                                  22

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 . Введение

     Процессор является основным «мозговым» узлом, в  задачу которого входит исполнение программного кода, находящегося в памяти. В настоящее время под словом «процессор» подразумевают микропроцессор – микросхему, которая, кроме собственного процессора может содержать и другие узлы – например кэш-память. Процессор в определённой последовательности  выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для пересылки, и обработки анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительные процессоры. В компьютер и обязательно должен присутствовать центральный процессор, (CPU – Central Processing Unit)который исполняет основную программу. В многопроцессорной  системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами  для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры, ориентированные на эффективное  исполнение на каких—либо специфических функций. Широко распространены математические сопроцессоры, эффективно обрабатывающие числовые данные в формате с плавающей точкой; графические сопроцессоры, выполняющие геометрические построения и обработку графических изображений: сопроцессоры ввода/вывода, разгружающий центральный процессор от не сложных, но многочисленных операций взаимодействия с периферийными устройствами. Возможно и другие сопроцессоры, но все они несамостоятельны – исполнение основного вычислительного процессора осуществляется центральным процессором, который в соответствии  с программой выдает «задания» сопроцессорам на исполнение их «партий». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Понятие ЦП

 

     В области вычислительной техники  различают процессоры:

     центральные;

     специализированные;

     ввода/вывода;

     передачи  данных;

     коммуникационные.

     Центральный процессор (ЦП) – это основное устройство ЭВМ, осуществляющее обработку данных и выполняющее функции управления системой (инициирование ввода/вывода, управление доступом к основной памяти, обработку сигналов, поступающих от различных внешних устройств и от внутренних устройств ЭВМ и др.). 

     3. Логическая структура ЦП 

     Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление  чисел, способы адресации, общая  организация машины и её основные элементы), а также технико-экономическими показателями.

     

     Рис. 1. Логическая структура ЦП 

     Логическую  структуру ЦП представляет ряд функциональных средств (см. рис. 1.):

     средства  обработки;

     средства  управления системой и программами;

     локальная память;

     средства  управления вводом/выводом и памятью;

     системные средства.

     Средства  обработки обеспечивают выполнение операций с числами с фиксированной  точкой, с числами с плавающей  точкой, с десятичными данными  и с полями переменной длины.

     Локальная память состоит из регистров общего назначения, регистров с плавающей точкой, а также управляющих регистров.

     Средства  управления памятью подразделяются на средства управления доступом к  ОП, средства предварительной выборки  команд и данных, буферную память и  средства защиты памяти.

     Средства  управления вводом/выводом обеспечивают приоритетный доступ программ к периферийным устройствам через каналы ввода/вывода (или контроллеры).

     К системным средствам относятся  средства службы времени: часы астрономического времени, таймер, коммутатор и т. д.

     Существует  обязательный минимальный (стандартный) набор функциональных средств для каждого типа центрального процессора. Он включает в себя:

     регистры  общего назначения;

     средства  выполнения стандартного набора операций;

     средства  управления вычислительным процессом.

     Конкретная реализация ЦП может различаться составом средств, способом их реализации, техническими параметрами. 
 
 
 

     4. Структурная схема процессора 

     Структурная схема ЦП изображена на рисунке 2.

     Все функциональные средства по своей структуре  разбиваются на следующие устройства:

     Центральное устройство управления;

     Арифметико-логическое устройство;

     Устройство  управления памятью;

     Сверхоперативное  запоминающее устройство;

     Устройство  предварительной выборки команд и данных;

     Интерфейс магистрали.

     Центральное устройство управления (ЦУУ) включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний.

     

     Рис. 2 

     Дешифратор  команд дешифрирует (декодирует) команды, которые поступают из блока предварительной  выборки.

     Блок  управления (БУ) формирует последовательности управляющих сигналов, которые поступают на все блоки процессора, обеспечивающие выполнение текущей команды и переход к выполнению следующей.

     Блок  прерывания обеспечивает реакцию ЭВМ  на запросы прерываний от различных  источников (устройств) внутри и вне  ЦП.

     Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции ЭВМ. В состав устройства входят:

     сумматоры,

     буферные  и рабочие регистры,

     специализированные  аппаратные средства (блок ускоренного  умножения),

     собственный блок управления (иногда).

     Во  многих современных процессорах  операции с плавающей точкой выполняются  в отдельном блоке, который имеет  собственные регистры данных, регистры управления и работает параллельно  с блоком операций с фиксированной  точкой.

     Сверхоперативное  запоминающее устройство (СОЗУ) – (регистровый файл) содержит регистры общего назначения, в которых хранятся данные и адреса.

     Устройство  предвыборки команд и данных включает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память процессора (кэш первого  уровня).

     Блок  предвыборки команд осуществляет формирование очереди команд, причем выборка из памяти осуществляется в промежутках между магистральными циклами команд.

     Во  внутренней кэш-памяти осуществляется буферизация часто используемых команд и данных. Благодаря этому  существенно повышается производительность процессора, сокращается число обращений к ОП.

     Устройство  управления памятью (диспетчер памяти) предназначено для сопряжения ЦП и подсистемы ввода/вывода с ОП. Оно  состоит из блока сегментации  и блока страничной адресации, осуществляющих двухступенчатое формирование физического адреса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы.

     Наличие двух этих блоков, их параллельное функционирование обеспечивают максимальную гибкость проектируемой  системы.

     Сегментация полезна для организации памяти локальных модулей и является инструментом программиста, в то время как страницы позволяют системному программисту эффективно использовать физическую память ЭВМ.

     Интерфейс магистрали реализует протоколы  обмена (связь по определенным правилам) ЦП с памятью, каналами (контроллерами) ввода/вывода и другими активными устройствами системы ЭВМ. Обмен осуществляется с помощью шин данных, адреса и управления.

     В современных суперскалярных процессорах  может использоваться от 2 до 6 параллельно работающих исполнительных устройств. Это могут быть:

     несколько целочисленных устройств;

     устройство  плавающей точки (блок FPU);

     устройство  выполнения переходов;

     устройство  загрузки/записи.

     Устройство  выполнения переходов обрабатывает команды условных переходов. Если условия перехода доступны, то решение о направлении перехода принимается немедленно, в противном случае выполнение последующих команд продолжается по предположению (спекулятивно).

     Пересылки данных между кэш-памятью данных, с одной стороны, и регистрами общего назначения и регистрами плавающей точки, с другой, обрабатываются устройством загрузки/записи. 

     5. Характеристики процессора 

     Говоря  о внутренней архитектуре процессора, не следует забывать и о его  характеристиках, главная из которых – производительность, то есть число итераций, выполняемых за одну секунду. Производительность, в свою очередь, характеризуется радом параметров:

     степенью  интеграции;

     внутренней  и внешней разрядностью обработки  данных;

     тактовой  частотой;

     памятью, к которой может адресоваться процессор;

     объемом и устройством кэш-памяти.

     Степень интеграции процессора – число транзисторов, которые могут уместиться на микросхеме. 

 

     Внутренняя  разрядность данных – количество бит, которое процессор может  обрабатывать одновременно. Особенно важна эта характеристика для  арифметических команд, выполняемых  внутри ЦП.

     Внешняя разрядность данных – разрядность  системной шины. Тактовая частота современных процессоров превышает 300 МГц, тактовая частота системной шины составляет лишь 66 МГц. В самых последних моделях материнских плат – порядка 100 и 133 МГц, поэтому разрядность системной шины важна для эффективной работы ЦП.

     Тактовая частота – количество циклов (или машинных тактов) в секунду, вырабатываемых генератором тактовых сигналов. Современные персональные компьютеры имеют несколько тактовых генераторов, работающих синхронно на различных частотах. Говоря о тактовой частоте системы, имеют в виду тактовую частоту системной шины. 

     Табл. 1. Характеристики различных процессоров

     Ширина  ША, или количество ячеек памяти, к которым может адресоваться процессор.

     Ширина  ШД, или количество бит данных, которые  могут быть одновременно переданы по ШД 

6. Эволюция процессоров с 1971 года до наших дней 

     15 ноября 2011 года исполнилось 40 лет  со дня появления первого микропроцессора.  Обратите внимание, что первый  процессор был выпущен за 10 лет  до появления первого компьютера IBM PC. За эти годы быстродействие процессора увеличилось более чем в 18 500 раз (с 0,108 МГц до 2 ГГц). История создания первого микропроцессора Intel 4004. Процессор 4004 был представлен 15 ноября 1971 года;  

     он  работал на частоте 108 кГц (108 000 тактов в секунду, или всего 0,1 МГц). Процессор 4004 содержал 2 300 транзисторов и производился с использованием 10 микронной технологии.

     

     Рис. 3 Процессор 4004 

     Это означает, что каждая линия, дорожка  или транзистор располагались от других элементов на расстоянии около 10 микрон (миллионная часть метра). Данные передавались блоками по 4 бита за такт, а максимальный адресуемый объем памяти был равен 640 байт. Процессор 4004 предназначался для использования в калькуляторах, однако в конечном итоге нашел и другие применения в связи с широкими возможностями программирования. Например, процессор 4004 использовался для управления светофорами, при анализе крови и даже в исследовательской ракете Pioneer 10, запущенной NASA! В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3 500 транзисторов и производился все по той же 10 микронной технологии

     Шина  данных была 8 разрядной, что позволяло  адресовать 16 Кбайт памяти. Этот процессор  предназначался для использования  в терминалах и программируемых калькуляторах. Следующая модель процессора, 8080, была анонсирована в апреле 1974 года. Этот процессор содержал 6 000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нем был собран первый персональный компьютер (не PC) Altair 8800. В этом компьютере использовалась операционная система CP/M, а Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ. Со временем процессор 8080 стал настолько известен, что его начали копировать. В конце 1975 года несколько бывших инженеров Intel, занимавшихся разработкой процессора 8080,создали компанию Zilog. В июле 1976 года эта компания выпустила процессор Z80, который представлял собой значительно улучшенную версию 8080. Этот процессор был не совместим с 8080 по контактным выводам, но сочетал в себе множество различных функций, например интерфейс памяти и схему обновления ОЗУ (RAM), что давало возможность разработать более дешевые и простые компьютеры. В Z80 был также включен расширенный набор команд процессора 8080, позволяющий использовать его программное обеспечение. В этот процессор вошли новые команды и внутренние регистры, поэтому программное обеспечение, разработанное для Z80, могло использоваться практически со всеми версиями 8080. Первоначально процессор Z80 работал на частоте 2,5 МГц (более поздние версии работали уже на частоте 10 МГц), содержал 8,5 тыс. транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти.

     Компания Radio Shack выбрала процессор Z80 для своего первого персонального компьютера TRS 80 Model 1. Следует заметить, что Z80 стал первым процессором, используемым во многих новаторских системах, в том числе Osborne и Kaypro. Этому примеру последовали другие компании, и вскоре Z80 стал стандартным процессором для систем, работающих с операционной системой CP/M и наиболее распространенным программным обеспечением того времени. Компания Intel не остановилась на достигнутом и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6 500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по

3 микронной  технологии. В этом же году  компания MOS Technologies выпустила процессор  6502, который был абсолютно непохож  на процессоры Intel. Он был разработан  группой инженеров компании Motorola. Эта же группа работала над  созданием процессора 6800, который в будущем трансформировался в семейство процессоров 68000.

     Цена  первой версии процессора 8080 достигала 300 долларов, в то время как 8 разрядный  процессор 6502 стоил всего около 25 долларов. Такая цена была вполне приемлема для Стива Возняка (Steve Wozniak), и он встроил процессор 6502 в новые модели Apple I и Apple II. Процессор 6502 использовался также в системах, созданных компанией Commodore и другими производителями. Этот процессор и его преемники с успехом работали в игровых компьютерных системах, в число которых вошла приставка Nintendo Entertainment System (NES). Компания Motorola продолжила работу над созданием серии процессоров 68000, которые впоследствии были использованы в компьютерах Apple Macintosh. В настоящее время в этих системах применяется процессор PowerPC, являющийся преемником 68000. В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86.

     Этот  же набор команд до сих пор поддерживается в самых современных процессорах Pentium III. Процессор 8086 был полностью 16 разрядным — внутренние регистры и шина данных. Он содержал 29 000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20 разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти. При создании процессора 8086 обратная совместимость с 8080 не предусматривалась. Но в то же время значительное сходство их команд и языка позволили использовать более ранние версии программного обеспечения. Это свойство впоследствии сыграло важную роль в развитии программного обеспечения ПК, включая операционную систему CP/M (8080).

     Несмотря  на высокую эффективность процессора 8086, его цена была все же слишком  высока по меркам того времени и, что  гораздо важнее, для его работы требовалась дорогая микросхема поддержки 161/18/12разрядной шины данных. Чтобы уменьшить себестоимость процессор а, в 1979 году Intel выпустила упрощенную версию 8086, которая получила название 8088. Процессор 8088 использовал те же внутреннее ядро и 16 разрядные регистры, что и 8086, мог адресовать 1 Мбайт памяти, но, в отличие от предыдущей версии, использовал внешнюю 8 разрядную шину данных. Это позволило обеспечить обратную совместимость с ранее разработанным 8 разрядным процессором 8085 и тем самым значительно снизить стоимость создаваемых системных плат и компьютеров. Именно поэтому IBM выбрала для своего первого ПК "урезанный” процессор 8088, а не 8086. Это решение имело далеко идущие последствия для всей компьютерной индустрии. Процессор 8088 был полностью программно-совместимым с 8086, что позволяло использовать 16 разрядное программное обеспечение. В процессорах 8085 и 8080 использовался очень похожий набор команд, поэтому программы, написанные для процессоров предыдущих версий, можно было легко преобразовать для процессора 8088. Это, в свою очередь, позволяло разрабатывать разнообразные программы для IBM РС, что явилось залогом его будущего успеха. Не желая останавливаться на полпути, Intel была вынуждена обеспечить поддержку обратной совместимости 8088/8086 с большей частью процессоров, выпущенных в то время.

     В те годы еще поддерживалась обратная совместимость процессоров, что  ничуть не мешало вводить различные  новшества или дополнительные возможности. Одним из основных из менений стал переход от 16 разрядной внутренней архитектуры процессора 286 и более ранних версий к 32 разрядной внутренней архитектуре 386-го и последующих процессоров, от носящихся к категории IA 32 (32 разрядная архитектура Intel). Эта архитектура была представлена в 1985 году, однако потребовалось 10 лет, чтобы на рынке появились такие операционные системы, как Windows 95 (частично 32 разрядные) и Windows NT (требующие использования исключительно 32 разрядных драйверов). И только еще через шесть лет появилась операционная система Windows XP, которая была 32 разрядной как на уровне драйверов, так и на уровне всех компонентов. Итак, на адаптацию 32 разрядных вычислений потребовалось 16 лет. А для компьютерной индустрии это довольно длительный срок. Теперь наблюдается очередной "скачок” в развитии архитектуры ПК — компании Intel и AMD представили 64 разрядные расширения для 32 разрядной архитекстуры Intel. Еще несколько лет назад компания Intel представила архитектуру IA 64 (Intel Architecture, 64 bit — 64 разрядная архитектура Intel), выпустив процессоры Itanium и Itanium 2, однако данная архитектура была абсолютно несовместима с 32-разрядной арихтектурой. Архитектура IA-64 была анонсирована в 1994 году в рамках проекта по разработке компаниями Intel и HP нового процессора с кодовым именем Merced; первые технические детали были опубликованы в октябре 1997 года. В результате в 2001 году был выпущен процессор Itanium, поддерживающий архитектуру IA 64.К сожалению, IA 64 не являлась расширением архитектуры IA 32, а была совершенно

новой архитектурой. Это хорошо для рынка  серверов (для этого IA 64 и разрабатывалась), однако совершенно неприемлемо для мира ПК, который всегда требует обратной совместимости. Хотя архитектура IA 64 и поддерживает эмуляцию IA 32, при этом обеспечивается очень низкая производительность. Компания AMD пошла по другому пути и разработала 64 разрядные расширения для архитектуры IA 32. В результате появилась архитектура AMD64 (которая также называется x86 64). Через некоторое время Intel представила собственный набор 64 разрядных расширений, который назвала EM64T (IA 32e). Расширения Intel практически идентичны расширениям AMD, что означает их совместимость на программном уровне. В результате впервые в истории сложилась ситуация, когда Intel следовала за AMD в разработке архитектуры ПК. Разумеется, для того чтобы задействовать все эти расширения, потребуется 64 разрядная версия операционной системы и, что гораздо важнее, 64 разрядные драйверы для всего оборудования, работающего под управлением этой операционной системы. При переходе от 32 разрядной к 64 разрядной среде приходится тратить немало времени на внесение изменений в программное обеспечение, драйверы, алгоритмы работы с памятью и т.д. Конечно, переход к 64 разрядным вычислениям может и не занять 16 лет, однако не следует рассчитывать, что это произойдет мгновенно. Персональные компьютеры прошли долгий путь развития. Первый используемый в ПК процессор 8088 содержал 29 000 транзисторов и работал с частотой 4,77 МГц. Процессоры AMD Athlon 64 и AMD Athlon 64 FX содержат 106 млн. транзисторов, процессор Pentium 4 570 (ядро Prescott) работает с частотой 3,8 ГГц и содержит 125 млн. транзисторов, а процессоры Pentium 4 Extreme Edition содержат гораздо больше транзисторов, так как оснащены кэшпаятью третьего уровня L3. В будушем количество транзисторов и объемы кэшпамяти будут только возрастать. Хотя Itanium 2, основанный на ядре Madison и созданный по 0,13 микронной технологии, нельзя назвать процессором для ПК, он имеет три типа кэш памяти (в том числе кэш память третьего уровня объемом 6 Мбайт) и содержит 410 млн. транзисторов на кристалле размером 374 мм2 (ширина сторон кристалла более 19,3 мм). На данный момент Intel выпустила процессоры, работающие на частоте свыше 3 ГГц, и следует заметить, что компания AMD практически не отстает от лидера. Все это является практическим подтверждением закона Мура, в соответствии с которым быстродействие процессоров и количество содержащихся в них транзисторов удваивается каждые 1,5–2 года. 

7. Перспективы

Обзор: что нас ждет за цифровым горизонтом?

     Очевидно, что последние несколько лет  были отмечены большим прогрессом вычислительных систем. Но какими бы ни были достижения прошедших десяти лет, в следующем десятилетии появление и миграция новых приложений и моделей использования на массовые компьютеры определят возросшие требования к вычислительным платформам будущего: высокая производительность, низкое энергопотребление и огромное увеличение функциональности.

     Учитывая  то, что фактически произошел титанический сдвиг в моделях использования  компьютеров, мы определяем и проектируем  компьютерные платформы будущего, которые существенно, глобально изменят не только вычисления, но также интерфейсы и требования к инфраструктуре. Долговременное видение корпорацией Intel развития этих трех фундаментальных элементов платформ, а также архитектурные инновации и фундаментальные знания, которые движут это развитие, – вот что мы называем «Платформой 2015». Эта статья посвящена вычислительной составляющей «Платформы 2015» – архитектуре микропроцессоров Intel®, а также нашим планам по ее созданию в течение следующих десяти лет. 

Архитектура микропроцессоров 2015 года: планы Intel

   Глядя в будущее, можно сказать, что  процессоры и платформы Intel будут  выделяться не только высокой производительностью  самой по себе, но также богатыми и разнообразными вычислительными и коммуникационными возможностями, управлением питанием, повышенной надежностью, безопасностью и управляемостью, а также полной интеграцией со всеми остальными компонентами платформы.¹ Планы Intel по развитию следующих ключевых характеристик архитектуры процессоров на период до 2015 года, или «Micro 2015», включают:

Многопроцессорная обработка на уровне кристалла (CMP)

  Корпорация Intel продолжает лидировать в одном  из важнейших направлений архитектуры  микропроцессоров – повышении уровня параллелизма для увеличения производительности. Как показано на Рисунке 1, мы начали с суперскалярной архитектуры первого процессора Intel® Pentium® и многопроцессорной обработки. В середине 90-х годов мы продолжили развитие в этом направлении, добавив в наши процессоры такие возможности, как переупорядоченное исполнение инструкций и, наконец, относительно недавно представили процессор Intel® Pentium® 4 с технологией Hyper-Threading. Эти достижения создали условия для следующего важного шага – перехода от одного монолитного ядра процессора ко множеству ядер на одном кристалле.