Введение

Процессор (CPU - central processor unit - центральный процессор) - это один из основных компонентов твоего компьютера, его можно сравнить с мозгом. Он выполняет логические и арифметические операции над различными данными. Процессор это большая интегральная схема в едином полупроводниковом кристалле. Это означает, что на куске камня сделали много-много маленьких транзисторов, которые вместе умеют правильно и быстро считать.

Процессор, наверное, самая быстроразвивающаяся часть компьютера, с каждым годом его производительность только растет. Еще каких-то 20 лет назад люди и не могли мечтать, чтобы на их столах стоял компьютер с частотой 3ГГц.

Всевозможных процессоров существует великое множество. Мы же будем рассматривать самые популярное семейство процессоров х86, которое с 1982 года используется в персональных компьютерах. Прежде чем говорить об истории процессоров, стоит разобраться в том, из чего состоит процессор.

Экскурс в историю микропроцессоров

Самые первые электронно-вычислительные машины (ЭВМ) появились в 60 годы ХХ столетия. Сперва размеры этих машин были громоздкие и они были доступны только исследовательским центрам с огромным бюджетом. Компьютеры же, участвуя в современном сверхбыстром научно-техническом прогрессе, становятся все меньше и меньше. В настоящее время - это машины, имеющие размеры дипломата и выполняющие любые мыслимые и не мыслимые операции.

В 1945 году Джорджем фон Нейманом была представлена архитектура персонального компьютера, получившая название архитектура фон Неймана. Компьютер с такой архитектурой включал в себя блок управления, арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройство ввода-вывода. Именно на этой архитектуре, придуманной более 50 лет назад, основаны все современные персональные компьютеры. Процессор в этой архитектуре берет на себя функции АЛУ и блока управления, он выбирает команды из памяти, а затем по очереди исполняет их и результат записывает обратно в память.

Мозг компьютера - процессор - подключен к системной шине и выполняет программу, находящуюся в памяти компьютера. Программа состоит из последовательности команд. Каждая команда имеет разный размер и включает в себя не только информацию о том, что необходимо сделать, но и данные, которые нужно обработать. Поскольку все компьютеры работают с двоичными данными (нулями и единицами), то и команды и данные представляют собой набор двоичного кода.

Основные характеристики

Для того чтобы процессор мог обрабатывать большие объемы информации, было решено передавать ему команды не по одному байту, а сразу по несколько. Так было введено понятие разрядности процессора и разрядности системной шины. Если процессор способен за раз принимать по одному байту, то он называется восьмиразрядным (или восьмибитовым), если 2 байта - шестнадцатиразрядным (16 бит), если 4 байта, то процессор называют тридцатидвухразрядным (32 бита), и самые последние процессоры могут принимать сразу по 8 байт и 64 бита. Таким образом, чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может получить и обработать за один период времени, а значит, тем он быстрее. То же самое и с разрядностью системной шины, чем больше разрядность - тем больше ее пропускная способность, тем больше информации она может доставить процессору. Причем разрядность процессора и системной шины не обязательно должны совпадать.

Кроме разрядности, процессоры отличаются набором команд. Существует некий общий набор команд, которые должны уметь выполнять все процессоры семейства х86, но каждый производитель процессоров добавляет к этому списку свои специализированные команды.

И конечно, процессор характеризуется тактовой частотой. Именно этим показателем сейчас меряются производители процессоров. Тактовая частота - это интервал времени, за который процессор выполняет определенную инструкцию. Для того чтобы понять это, вернемся к операции сложения. Допустим, чтобы сложить два числа процессору нужно потратить целых три такта (выполнить три операции): выбрать команду из памяти, выполнить операцию сложения и поместить результат обратно в память. Понятно, что чем быстрее частота процессора, тем быстрее эти операции будут выполнены.

Технологии производства

Процессор состоит из огромного числа транзисторов, связанных между собой. Транзистор - это полупроводниковый элемент, предназначенный для преобразования, усиления, перенаправления электрических сигналов. То есть, транзистор получает два каких-то сигнала, и, в зависимости от того, что он получил, выдает третий сигнал. Для изготовления транзисторов в процессоре используется кремний, как самый распространенный полупроводниковый материал на Земле. Технология производства следующая: сперва создается тонкая кремниевая пластина, которая тщательно полируется и покрывается различными химическими смесями. Затем пластину в определенных местах облучают ультрафиолетом, создавая на ней специальный рисунок. При попадании ультрафиолета на пластину слой химии выгорает, открывая доступ непосредственно к кремнию. Затем на полученную пластину наносятся зоны проводимости и непроводимости, для этого используется опять же кремний, но уже поликристаллический, а также различные оксиды и металлы. Полученная схема представляет не что иное, как огромное множество транзисторов.

Последние процессоры от Интел имеют размер транзистора всего 0,09 микрон (1 микрон = 0,001 миллиметра). Кроме того, чем меньше размер транзистора, тем меньше тепла он излучает при работе.

Первые процессоры

Итак, разобравшись с некоторыми основными свойствами процессоров, перейдем непосредственно к истории. В далеком 1971 году корпорация Intel явила миру первый микропроцессор, прадедушку того гигагерцового монстра, что стоит у тебя в компьютере. Первый микропроцессор имел индекс 4004. Это был четырехразрядный процессор, включающий в себя всего две тысячи транзисторов. Он не получил широкого распространения из-за сильно ограниченного набора команд. Затем в 1974 году появился i8080, который выпускается и используется до сих пор в различных устройствах (например в АОНах домашних телефонов), и на основе которого был выпущен популярный компьютер ZX-Spectrum. Кстати, тогда этот процессор стоил чуть меньше 200 долларов.

Сейчас самое время вспомнить о другой компании, производящей процессоры, - Advanced Micro Devices. В 1969 году AMD открыла свою первую фабрику - Fab1. В то время компания не занималась созданием собственных процессоров, а выпускала чужие процессоры со своим логотипом. В начале 70-х годов она подписала соглашение с Intel о кросс-лицензировании и начала выпускать процессор 8080A (клон 8080).

В 1978 году появился первый 16-разрядный процессор от Интел - i8086. Он включал в себя 29 тысяч транзисторов и работал на частоте 4,77 МГц. Через год Intel разработал 8-разрядный процессор i8088, на основе которого и был выпущен первый персональный компьютер от IBM. i8088 был полностью совместим с более совершенным i8086, однако использовал 8-разрядную шину (то есть принимал по 1 байту за такт) и имел ограничение в 256 Кб памяти (а на самом деле компьютеры комплектовались лишь 16 Кб). IBM было проще и дешевле разработать и наладить выпуск компьютера на основе 8-разрядной шины, поэтому появился этот процессор с урезанной шиной. В то же время компания Compaq выпустила компьютер DeskPro на основе i8086, который имел 16-битовую архитектуру и мог работать с целым мегабайтом оперативной памяти. Компьютеры от Compaq не получили большой популярности, а вот IBM PC буквально заполонили рынок персональных компьютеров. Именно на таком IBM PC впервые заработал MS-DOS. Чуть позже появились версии процессора i8088 с частотами 8 и 10 МГц. В то время Интел охотно продавала всем лицензии на производство нового процессора. Среди компаний купивших лицензии были Fujitsu, Hitachi, NEC, Siemens и другие.

И в 1980 году появился первый сопроцессор, получивший индекс i8087. Сопроцессор - это специализированный проц, работающий вместе с центральным процессором и предназначенный для выполнения операций с плавающей точкой. Такой сопроцессор был очень полезен для работы с различными электронными таблицами и математическими программами (древние аналоги Excel). Сопроцессор i8087 добавил более 60 дополнительных математических команд.

Примерно в то же время появился процессор i80186, однако дальше тестовой лаборатории компании он не вышел из-за своей несовместимости с процессором i8086.

В 1982 году, Интел анонсировала новый i80286. Он расширил набор команд процессора i8086 и имел более высокую частоту (до 20МГц!). Процессор производился по 1.5 микронной технологии и содержал около 134 тысяч транзисторов. "Двойка" могла выполнять до 2,6 млн. операций в секунду, что было довольно круто и в 1984 году. IBM начала производство компьютеров IBM PC/AT. Из радикальных изменений была разработана новая модель распределения и защиты памяти, что позволило использовать память более 1Мб, для этого процессор переводился в специальный "защищенный" (protected mode) режим работы, однако он был реализован весьма сложно и имел множество недоработок. Использование защищенного режима позволило писать многозадачные программы.

Компьютерные микропроцессоры: история развития (стр. 1 из 3)

Введение

Экскурс в историю микропроцессоров

Основные характеристики

Технологии производства

Первые процессоры