Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение , функции, классификация процессора.pdf

С момента выхода первого ПК в 1981 г. процессорные технологии развивались в четырёх основных направлениях [12]:

1) увеличение количества активных компонентов и плотности их размещения на кристалле;

2) подъём тактовой частоты;

3) повышение разрядности внутренних регистров;

4) увеличение количества ядер (т.е. процессорных секций) в одной микросхеме.

Далее рассмотрим характеристику современных процессоров и перспективы их развития.

2. Характеристика современных процессоров и перспектив их развития

2.1. Общая характеристика процессоров семейства Intel

Микропроцессоры с архитектурой x86 – это своего рода феномен второй половины XX века. С 1978 года, когда фирма Intel выпустила первый микропроцессор 8086 и затем его упрощенный вариант 8088, уже сменилось восемь поколений таких устройств. В настоящее время практически во всех областях промышленности и компьютерной индустрии доминируют микропроцессоры, в той или иной мере совместимы с архитектурой x86.

В таблице 2 перечислены микропроцессоры (МП) фирмы Intel.

Таблица 2 – Микропроцессоры Intel [6, с. 12]

Далее выборочно рассмотрим несколько представителей семейства Intel более подробно [6, с. 12]:

1. Микропроцессор 8008

В 1972 году Intel разработала 8-разрядный микропроцессор для корпорации Computer Terminals. Унаследовав принцип наименования микропроцессора 4004, новый чип получил обозначение 8008. Аналогичным образом в семейство продукции "8ххх" вошли все микросхемы RAM, ROM и EPROM, поддерживающие микропроцессор 8008. Мощность этого МП, по сравнению с его предшественником, возросла вдвое. Известный энтузиаст вычислительных технологий Дон Ланкастер (Don Lancaster) применил МП 8008 в разработке прототипа персонального компьютера - устройства, которое журнал Radio Electronics назвал "гибридом телевизора и пишущей машинки". Использовалось оно в качестве терминала вводавывода. Однако МП 8008, не отличался простотой в эксплуатации, и в 1974 году появился более мощный микропроцессор, известный под названием 8080, основанным на несколько иной комбинации тех же самых цифр.

2. Микропроцессор Intel 486™ DX

В 1989 году бал разработан микропроцессор Intel 486™ DX. Intel 486TM стал первым микропроцессором со встроенным математическим сопроцессором, который существенно ускорил обработку данных, выполняя сложные математические действия вместо центрального процессора. Именно на переходе от 80-х к 90-м г. сформировался альянс Wintel. Когда Intel выпустила микропроцессор 486, производители компьютеров не стали дожидаться примера со стороны IBM или Compaq. Началась гонка, в которую вступили десятки фирм. Но все новые компьютеры были чрезвычайно похожи друг на друга - их роднила совместимость с Windows и микропроцессоры от Intel.

3. Микропроцессор Pentium Следующим шагом в развитии микропроцессорной техники было появление 586-го микропроцессора Pentium в 1993 году. Pentium при полной совместимости с предыдущими моделями имел производительность свыше 100 млн. в секунду, два отдельных кэш-устройства по 8 Кбайт для команд и данных, что позволило снизить число обращений к внешней памяти компьютера и увеличить производительность системы. Разрядность шины увеличилась до 64 разрядов, что позволило за один такт передавать вдвое больше информации. Блок предсказаний ветвлений позволил предсказывать ход выполнения программы. Два параллельных конвейера позволили выполнять одновременно две команды. В сопроцессоре аппаратно были реализованы умножение, деление и сложение, благодаря чему большинство операций с плавающей запятой выполнялись за один акт. Pentium стал работать в 2 раза быстрее, а на задачах с плавающей арифметикой – в 5 раз быстрее, чем 486-ой процессор. МП Pentium® научил компьютеры работать с атрибутами "реального мира" – такими, как звук, голосовая и письменная речь, фотоизображения.

4. Микропроцессор Pentium Pro выпущенный осенью 1995 года, разрабатывался как мощное средство наращивания быстродействия 32-разрядных приложений для серверов и рабочих станций, систем автоматизированного проектирования, программных пакетов, используемых в машиностроении и научной работе. Все процессоры Pentium® Pro оснащаются второй микросхемой кэш-памяти, еще больше увеличивающей быстродействие. Мощнейший процессор Pentium® Pro насчитывает 5,5 миллионов транзисторов.

5. Микропроцессор Pentium II В 1997 появился усовершенствованный МП Pentium® II. Насчитывающий 7,5 миллионов транзисторов, МП Pentium® II использует технологию Intel MMXTM, обеспечивающую эффективную обработку аудио, визуальных и графических данных.

6. Микропроцессоры Pentium III и Pentium III Xeon

В 1999 году появился МП Pentium® III, имеющий 9.5 миллионов транзисторов. Его основными характеристиками являлись 512 КБ кэш-памяти, картридж с односторонним контактом (S.E.C.C. 2) в основе корпуса, системная шина с частотой 100 МГц и разрядностью 64 бит. Процессор обладал адресуемой памятью 64 Гбайт. Pentium® III применялся как для Бизнес-ПК, так и для домашних компьютеров, для одно- и двухпроцессорных серверов и рабочих станций.

7. Микропроцессор Intel Core 2

Intel Core 2 - восьмое выпущенное корпорацией Intel поколение микропроцессоров архитектуры x86, основанное на совершенно новой процессорной архитектуре, которая называется Intel Core. Это потомок микроархитектуры Intel P6 на которой, начиная с процессора Pentium Pro, построено большинство микропроцессоров Intel, исключая процессоры с архитектурой NetBurst. Введя новый бренд, от названий Pentium и Celeron Intel не отказалась, в 2007 году переведя их также на микроархитектуру Core, и на данный момент доступны МП Pentium Dual-Core и Core Celeron. Но теперь воссоединились мобильные и настольные серии продуктов (разделившиеся на Pentium M и Pentium 4 в 2003 году).

8. Микророцессор Intel Core i3

Intel Core i3 – еще одно семейство микропроцессоров x86-64 от Intel. Позиционируются как МП начального и среднего уровня цены и производительности. В новом модельном ряду призваны заменить устаревшие Pentium Dual-Core на архитектуре Intel Core 2. По уровню производительности стоят на самой низкой ступени, перед более дорогими и производительными Core i5. Они имеют встроенный контроллер памяти и поддерживают технологию Turbo Boost (автоматический разгон процессора под нагрузкой). Имеют встроенный графический процессор. Как и другие микропроцессоры для разъема LGA 1156, Core i3 соединяются с чипсетом через шину DMI. Первые Core i3 представлены 7 января 2010 года и используют ядро Clarkdale. Обладают встроенным графическим процессором (в корпусе процессора, но на отдельном кристалле).

9. Микропроцессоры Intel Core i7

Intel Core i7 – первое семейство, использующее микроархитектуру Intel Nehalem. Он также является преемником семейства Intel Core 2. Все три модели микропроцессоров являются четырехъядерными. Идентификатор Core i7 применяется и к первоначальному семейству процессоров с рабочим названием Bloomfield, запущеных в 2008. Название Core i7 показывает поколение процессора (Core 2 Duo/Quad/Extreme были 6-го поколения) и продолжает использовать успешную серию брендов: Core 2 и Core.

С момента появления первого микропроцессора архитектуры x86 различные фирмы во всем мире занимаются совершенствованием совместимых устройств. Такие микропроцессоры, как правило, полностью копируют архитектуру приборов Intel и совместимы с их программным обеспечением. Микропроцессоры-клоны существуют для всех устройств серии x86. Наиболее известны микропроцессоры-клоны: MII (Cyrix, IBM), K6 (AMD), Winchip (IDT) и некоторые другие. Специфика этих микропроцессоров состоит в том, что они предназначены для применения в недорогих компьютерах средней производительности и не претендуют на лидерство в сфере мощных многопроцессорных сверхвысокопроизводительных систем. Поначалу создатели клонов лишь "шли по стопам" Intel, производя устройства, максимально приближенные по своим характеристикам к приборам Intel и не содержащие никаких структурных расширений.

2.2. Общая характеристика процессоров семейства AMD

Изначально, компанией, которая выпускала процессоры для компьютера была Intel. Но правительству США не нравилось, что такая важная для оборонной промышленности и экономики страны деталь выпускается только одной компанией. С другой стороны, были и другие желающие выпускать процессоры.

Была основана компания AMD, Intel поделилась с ними всеми своими наработками и разрешила AMD использовать свою архитектуру для выпуска процессоров. Но продлилось это недолго, спустя несколько лет Intel перестала делиться новыми наработками и AMD пришлось улучшать свои процессоры самим.

Ниже рассмотрены основные поколения архитектуры процессоров A
MD [14]:

1. Первые архитектуры процессоров AMD

Самым первым был AM980, он был полным восьмиразрядного процессора Intel 8080.

Следующим процессором был AMD 8086, клон Intel 8086, который выпускался по контракту с IBM, из-за которого Intel была вынуждена лицензировать эту архитектуру конкуренту. Процессор был 16-ти разрядным, имел частоту 10 МГц, а для его изготовления использовался техпроцесс 3000 нм.

Следующим процессором был клон Intel 80286- AMD AM286, по сравнению с устройством от Intel, он имел большую тактовую частоту, до 20 МГц. Техпроцесс уменьшился до 1500 нм.

Дальше был процессор AMD 80386, клон Intel 80386, Intel была против выпуска этой модели, но компании удалось выиграть иск в суде. Здесь тоже была поднята частота до 40 МГц, тогда как у Intel она была только 32 МГц. Техпроцесс - 1000 нм.

AM486 - последний процессор, выпущенный на основе наработок Intel. Частота процессора была поднята до 120 МГц. Дальше, из-за судебных разбирательств AMD больше не смогла использовать технологии Intel и им пришлось разрабатывать свои процессоры.

2. Пятое поколение К-5 архитектуры процессоров AMD

AMD выпустила свой первый процессор в 1995 году. Он имел новую архитектуру, которая основывалась на ранее разработанной архитектуре RISC. Обычные инструкции перекодировались в микроинструкции, что помогло очень сильно поднять производительность. Процессор имел тактовую частоту 100 МГц, тогда как Intel Pentium уже работал на частоте 133 МГц. Для изготовления процессора использовался техпроцесс 350 нм.

3. Шестое поколение К-6 архитектуры процессоров AMD

AMD не стала разрабатывать новую архитектуру, а решила приобрести компанию NextGen и использовать ее наработки Nx686. Хотя эта архитектура очень отличалась, здесь тоже использовалось преобразование инструкций в RISC, и она тоже не обошла Pentium II. Частота процессора была 350 МГц, потребляемая мощность - 28 Ватт, а техпроцесс 250 нм.

Архитектура K6 имела несколько улучшений в будущем, в K6 II было добавлено несколько наборов дополнительных инструкций, улучшивших производительность, а в K6 III добавлен кэш L2.

4. Седьмое поколение К-7 архитектуры процессоров AMD

В 1999 году появилась новая микроархитектура процессоров AMD Athlon. Здесь была значительно увеличена тактовая частота, до 1 ГГц. Кэш второго уровня был вынесен на отдельный чип и имел размер 512 кб, кэш первого уровня - 64 Кб. Для изготовления использовался техпроцесс 250 нм.

Было выпущено еще несколько процессоров на архитектуре Athlon, в Thunderbird кэш второго уровня вернулся на основную интегральную схему, что позволило увеличить производительность, а техпроцесс был уменьшен до 150 нм.

В 2001 году были выпущены процессоры на основе архитектуры процессоров AMD Athlon Palomino c тактовой частотой 1733 МГц, кэшем L2 256 Мб и техпроцессом 180 нм. Потребляемая мощность достигала 72 Ватт.

Улучшение архитектуры продолжалось и в 2002 году компания выпустила на рынок процессоры Athlon Thoroughbred, которые использовали техпроцесс 130 нм и работали на тактовой частоте 2 ГГц. В следующем улучшении Barton была увеличена тактовая частота до 2,33 ГГц и увеличен в два раза размер кэша L2 [14].

В 2003 году AMD выпустила архитектуру K7 Sempron, которая имела тактовую частоту 2 ГГц тоже с техпроцессом 130 нм, но уже дешевле.

5. Восьмое поколение К-8 архитектуры процессоров AMD

Все предыдущие поколения процессоров были 32 битной разрядности и только архитектура K8 начала поддерживать технологию 64 бит. Архитектура претерпела много изменений, теперь процессоры теоретически могли работать с 1 Тб оперативной памяти, контроллер памяти переместили в процессор, что улучшило производительность по сравнению с K7. Также здесь была добавлена новая технология обмена данными HyperTransport.

Первые процессоры на архитектуре K8 были Sledgehammer и Clawhammer, они имели частоту 2,4-2,6 ГГц и тот же техпроцесс 130 нм. Потребляемая мощность - 89 Вт. Дальше, как и с архитектурой K7 компания выполняла медленное улучшение. В 2006 году были выпущены процессоры Winchester, Venice, San Diego, которые имели тактовую частоту до 2,6 ГГц и техпроцесс 90 нм.

В 2006 году вышли процессоры Orleans и Lima, которые имели тактовую частоту 2,8 ГГц, Последний уже имел два ядра и поддерживал память DDR2.

Наряду с линейкой Athlon, AMD выпустила линейку Semron в 2004 году. Эти процессоры имели меньшую частоту и размер кэша, но были дешевле. Поддерживалась частота до 2,3 ГГц и кэш второго уровня до 512 Кб.

В 2006 году продолжилось развитие линейки Athlon. Были выпущены первые двухъядерные процессоры Athlon X2: Manchester и Brisbane. Они имели тактовую частоту до 3,2 ГГц, техпроцесс 65 нм и потребляемую мощность 125 Вт. В том же году была представлена бюджетная линейка Turion, с тактовой частотой 2,4 ГГц.