Микропроцессор -Microprocessor

Техасские инструменты TMS1000
Современный 64-битный процессор x86-64 (AMD Ryzen 5 2600, на базе Zen+ , 2017 г.)
Процессор AMD Ryzen 7 1800X (2016 г., на базе Zen ) в сокете AM4 на материнской плате

Микропроцессор — это компьютерный процессор, в котором логика обработки данных и управления включены в одну интегральную схему или небольшое количество интегральных схем. Микропроцессор содержит арифметические, логические и управляющие схемы, необходимые для выполнения функций центрального процессора компьютера. Интегральная схема способна интерпретировать и выполнять программные инструкции и выполнять арифметические операции. Микропроцессор представляет собой универсальную цифровую интегральную схему , управляемую часами , основанную на регистрах , которая принимает на вход двоичные данные и обрабатывает их в соответствии с инструкциями , хранящимися в его памяти .и предоставляет результаты (также в двоичной форме) в качестве вывода. Микропроцессоры содержат как комбинационную логику , так и последовательную цифровую логику , и работают с числами и символами, представленными в двоичной системе счисления.

Интеграция всего ЦП в одну или несколько интегральных схем с использованием сверхбольшой интеграции (СБИС) значительно снизила стоимость вычислительной мощности. Процессоры интегральных схем производятся в больших количествах с помощью высокоавтоматизированных процессов производства металл -оксид-полупроводник (МОП) , что приводит к относительно низкой цене за единицу . Однокристальные процессоры повышают надежность, поскольку количество электрических соединений, которые могут выйти из строя, значительно меньше. По мере совершенствования конструкции микропроцессора стоимость производства микросхемы (с меньшими компонентами, построенными на полупроводниковой микросхеме того же размера) обычно остается неизменной в соответствии с законом Рока .

До появления микропроцессоров небольшие компьютеры были построены с использованием стоек печатных плат со многими средними и малыми интегральными схемами , обычно типа TTL . Микропроцессоры объединили это в одну или несколько крупномасштабных ИС. Первым коммерчески доступным микропроцессором был Intel 4004 , представленный в 1971 году.

Постоянное увеличение мощности микропроцессоров с тех пор сделало другие формы компьютеров почти полностью устаревшими (см. Историю вычислительного оборудования ), с одним или несколькими микропроцессорами, используемыми во всем, от самых маленьких встроенных систем и портативных устройств до самых больших мэйнфреймов и суперкомпьютеров .

Структура

Блок-схема архитектуры микропроцессора Z80 , показывающая арифметическую и логическую части , регистровый файл, управляющую логическую часть и буферы для внешних адресов и линий данных.

Сложность интегральной схемы ограничена физическими ограничениями на количество транзисторов , которые можно разместить на одном кристалле, количество выводов корпуса, которые могут соединить процессор с другими частями системы, количество взаимосвязей, которые можно сделать на чипе и тепло, которое чип может рассеивать . Развитие технологий делает возможным производство более сложных и мощных микросхем.

Минимальный гипотетический микропроцессор может включать только арифметико-логическое устройство (ALU) и блок управляющей логики . АЛУ выполняет сложение, вычитание и такие операции, как И или ИЛИ. Каждая операция АЛУ устанавливает в регистре состояния один или несколько флагов , которые указывают на результаты последней операции (нулевое значение, отрицательное число, переполнение или другие). Логика управления извлекает коды инструкций из памяти и инициирует последовательность операций, требуемых АЛУ для выполнения инструкции. Код одной операции может повлиять на множество отдельных путей данных, регистров и других элементов процессора.

По мере развития технологии интегральных схем стало возможным производить все более и более сложные процессоры на одном кристалле. Размер объектов данных стал больше; увеличение количества транзисторов на микросхеме позволило увеличить размер слова с 4- и 8-битных слов до сегодняшних 64-битных слов. В архитектуру процессора добавлены дополнительные возможности; большее количество встроенных регистров ускорило программы, а сложные инструкции можно было использовать для создания более компактных программ. Арифметика с плавающей запятой , например, часто была недоступна на 8-битных микропроцессорах, и ее приходилось выполнять программно . Интеграция модуля с плавающей запятой , сначала как отдельной интегральной схемы, а затем как части того же микропроцессорного чипа, ускорила вычисления с плавающей запятой.

Иногда физические ограничения интегральных схем делали необходимыми такие методы, как подход с использованием битовых срезов . Вместо обработки всего длинного слова на одной интегральной схеме несколько схем параллельно обрабатывали подмножества каждого слова. Хотя это требовало дополнительной логики для обработки, например, переноса и переполнения в каждом слайсе, результатом стала система, которая могла обрабатывать, например, 32-битные слова с использованием интегральных схем с емкостью всего четыре бита каждая.

Возможность размещения большого количества транзисторов на одном кристалле позволяет интегрировать память на одном кристалле с процессором. Этот кэш -память ЦП имеет преимущество более быстрого доступа, чем внешняя память, и увеличивает скорость обработки системы для многих приложений. Тактовая частота процессора увеличивается быстрее, чем скорость внешней памяти, поэтому кэш-память необходима, если процессор не должен задерживаться из-за более медленной внешней памяти.

Специальные конструкции

Микропроцессор — это объект общего назначения. Затем последовало несколько специализированных устройств обработки:

Соображения скорости и мощности

Intel Core i9-9900K (2018 г., на базе Coffee Lake )

Микропроцессоры можно выбирать для различных приложений в зависимости от их размера слова, который является мерой их сложности. Более длинные слова позволяют за каждый такт процессора выполнять больше вычислений, но соответствуют физически большим кристаллам интегральных схем с более высоким энергопотреблением в режиме ожидания и при работе . 4-, 8- или 12-разрядные процессоры широко интегрируются в микроконтроллеры, работающие со встроенными системами. Если ожидается, что система будет обрабатывать большие объемы данных или потребуется более гибкий пользовательский интерфейс , используются 16-, 32- или 64-разрядные процессоры. 8- или 16-разрядный процессор может быть выбран вместо 32-разрядного процессора для систем на кристалле или микроконтроллерных приложений, которые требуют чрезвычайно маломощной электроники или являются частью интегральной схемы со смешанными сигналами с чувствительными к шуму на кристалле . аналоговая электроника , такая как аналого-цифровые преобразователи с высоким разрешением, или и то, и другое. Выполнение 32-битной арифметики на 8-битном чипе может в конечном итоге потреблять больше энергии, поскольку чип должен выполнять программное обеспечение с несколькими инструкциями.

Встроенные приложения

Тысячи элементов, которые традиционно не были связаны с компьютерами, включают микропроцессоры. К ним относятся бытовая техника , транспортные средства (и их аксессуары), инструменты и контрольно-измерительные приборы, игрушки, выключатели/диммеры освещения и электрические автоматические выключатели , дымовые извещатели, аккумуляторные батареи и аудио- и видеокомпоненты Hi-Fi (от DVD-плееров до проигрывателей фонографов ) . . Такие продукты, как сотовые телефоны, DVD-видеосистемы и системы вещания HDTV , принципиально требуют потребительских устройств с мощными недорогими микропроцессорами. Все более строгие стандарты контроля за загрязнением окружающей среды фактически требуют от производителей автомобилей использовать микропроцессорные системы управления двигателем, чтобы обеспечить оптимальный контроль выбросов в самых разных условиях эксплуатации автомобиля. Непрограммируемые элементы управления потребуют громоздкой или дорогостоящей реализации для достижения результатов, возможных с микропроцессором.

Программу управления микропроцессором ( встроенное программное обеспечение ) можно настроить в соответствии с потребностями линейки продуктов, что позволяет повысить производительность с минимальным изменением конструкции продукта. Уникальные функции могут быть реализованы в различных моделях продуктовой линейки при незначительной стоимости производства.

Микропроцессорное управление системой может обеспечить стратегии управления, которые было бы непрактично реализовать с помощью электромеханических средств управления или специально разработанных электронных средств управления. Например, система управления двигателем внутреннего сгорания может регулировать момент зажигания в зависимости от частоты вращения двигателя, нагрузки, температуры и любой наблюдаемой тенденции к детонации, что позволяет двигателю работать на различных сортах топлива.

История

Появление недорогих компьютеров на интегральных схемах изменило современное общество . Микропроцессоры общего назначения в персональных компьютерах используются для вычислений, редактирования текста, отображения мультимедиа и связи через Интернет . Многие другие микропроцессоры входят в состав встроенных систем , обеспечивая цифровое управление множеством объектов, от бытовой техники до автомобилей и сотовых телефонов, а также управление промышленными процессами . Микропроцессоры выполняют бинарные операции на основе булевой логики , названной в честь Джорджа Буля . Способность управлять компьютерными системами с использованием булевой логики была впервые доказана в диссертации 1938 года студентом магистратуры Клодом Шенноном , который впоследствии стал профессором. Шеннон считается «отцом теории информации».

После разработки микросхем интегральных схем МОП в начале 1960-х годов, к 1964 году микросхемы МОП достигли более высокой плотности транзисторов и более низких производственных затрат, чем биполярные интегральные схемы . Сложность микросхем МОП еще больше усложнялась со скоростью, предсказываемой законом Мура , что привело к крупномасштабной интеграции . (БИС) с сотнями транзисторов на одном МОП-чипе к концу 1960-х годов. Применение микросхем МОП-БИС для вычислений стало основой для первых микропроцессоров, поскольку инженеры начали осознавать, что полный компьютерный процессор может содержаться на нескольких микросхемах МОП-БИС. Конструкторы в конце 1960-х годов стремились интегрировать функции центрального процессора (ЦП) компьютера в несколько микросхем MOS LSI, называемых наборами микросхем микропроцессорных блоков (MPU).

Первым серийно выпускаемым микропроцессором был Intel 4004 , выпущенный в 1971 году в виде одной микросхемы MOS LSI. Однокристальная микросхема стала возможной благодаря разработке технологии кремниевых затворов MOS (SGT). Самые ранние МОП-транзисторы имели алюминиевые металлические затворы , которые итальянский физик Федерико Фаггин заменил кремниевыми самовыравнивающимися затворами для разработки первого МОП-чипа с кремниевыми затворами в Fairchild Semiconductor в 1968 году. Позже Фаггин присоединился к Intel и использовал свою МОП-технологию с кремниевыми затворами для разработки . 4004 вместе с Марсианом Хоффом , Стэнли Мазором и Масатоши Шимой в 1971 году. 4004 был разработан для Busicom , которая ранее предложила многочиповый дизайн в 1969 году, прежде чем команда Фаггина в Intel изменила его на новый одночиповый дизайн. Intel представила первый коммерческий микропроцессор, 4-битный Intel 4004, в 1971 году. Вскоре за ним последовал 8-битный микропроцессор Intel 8008 в 1972 году.

Вскоре последовали другие встроенные применения 4-битных и 8-битных микропроцессоров, такие как терминалы , принтеры , различные виды автоматизации и т. д. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией также привели к появлению первых микрокомпьютеров общего назначения с середины 1970-х годов.

Первое использование термина «микропроцессор» приписывается Viatron Computer Systems , описывающей нестандартную интегральную схему, используемую в их небольшой компьютерной системе System 21, анонсированной в 1968 году.

С начала 1970-х годов увеличение мощности микропроцессоров подчинялось закону Мура ; Первоначально это предполагало, что количество компонентов, которые можно установить на чип, удваивается каждый год. При нынешних технологиях это фактически каждые два года, и в результате Мур позже изменил период на два года.

Первые проекты

Эти проекты создали микропроцессор примерно в одно и то же время: компьютер Central Air Data Computer ( CADC ) Garrett AiResearch (1970 г.), TMS 1802NC от Texas Instruments (сентябрь 1971 г.) и Intel 4004 ( ноябрь 1971 г., основанный на более раннем Busicom 1969 г.). дизайн). Возможно, микропроцессор Four-Phase Systems AL1 также был поставлен в 1969 году.

Четырехфазные системы AL1 (1969)

Четырехфазные системы AL1 представляли собой 8-битную микросхему , содержащую восемь регистров и АЛУ. Он был разработан Ли Бойзелем в 1969 году. В то время он являлся частью девятичипового 24-битного процессора с тремя AL1. Позже он был назван микропроцессором, когда в ответ на судебный процесс 1990-х годов против Texas Instruments Бойзел построил демонстрационную систему, в которой один AL1 вместе с RAM, ROM и устройством ввода-вывода являлся частью демонстрационной компьютерной системы в зале суда.

Garrett AiResearch CADC (1970)

В 1968 году компания Garrett AiResearch (которая наняла дизайнеров Рэя Холта и Стива Геллера) была приглашена для производства цифрового компьютера, чтобы конкурировать с электромеханическими системами, которые в то время разрабатывались для главного компьютера управления полетом в новом истребителе F-14 Tomcat ВМС США . Дизайн был завершен к 1970 году, и в качестве основного процессора использовался набор микросхем на основе MOS . Конструкция была значительно (примерно в 20 раз) меньше и намного надежнее, чем механические системы, с которыми она конкурировала, и использовалась во всех ранних моделях Tomcat. Эта система содержала «20-битный конвейерный параллельный мультимикропроцессор » . Военно-морской флот отказывался разрешить публикацию проекта до 1997 года. Выпущенная в 1998 году документация по CADC и чипсету MP944 хорошо известна. Автобиографический рассказ Рэя Холта об этом дизайне и разработке представлен в книге «Инженер-случайник».

Рэй Холт окончил Калифорнийский политехнический университет в 1968 году и начал свою карьеру в области компьютерного дизайна в CADC. С самого начала он был окутан тайной до 1998 года, когда по просьбе Холта ВМС США сделали документы общедоступными. Холт утверждал, что никто не сравнивал этот микропроцессор с теми, что появились позже. Согласно Parab et al. (2007),

Научные статьи и литература, опубликованные примерно в 1971 году, показывают, что цифровой процессор MP944, использовавшийся в самолете F-14 Tomcat ВМС США, считается первым микропроцессором. Хотя это и интересно, это не был однокристальный процессор, как и Intel 4004 — они оба были больше похожи на набор параллельных строительных блоков, которые можно было использовать для создания формы общего назначения. Он содержит ЦП, ОЗУ , ПЗУ и два других вспомогательных чипа, таких как Intel 4004. Он был изготовлен с использованием той же технологии P-канала , работал по военным спецификациям и имел более крупные чипы — превосходный дизайн компьютерной инженерии по любым стандартам. Его дизайн свидетельствует о значительном продвижении по сравнению с Intel и двумя годами ранее. Он действительно работал и летал на F-14, когда был анонсирован Intel 4004. Это указывает на то, что сегодняшняя отраслевая тема конвергентных архитектур DSP и микроконтроллеров была начата в 1971 году .

Эта конвергенция архитектур DSP и микроконтроллеров известна как контроллер цифровых сигналов .

Пико/общий инструмент

Микросхема PICO1/GI250, представленная в 1971 году: она была разработана Pico Electronics (Гленротес, Шотландия) и произведена General Instrument из Хиксвилля, штат Нью-Йорк.

В 1971 году Pico Electronics и General Instrument (GI) представили свою первую совместную работу в области интегральных схем, полной однокристальной интегральной схемы калькулятора для калькулятора Monroe/Litton Royal Digital III. Этот чип также может претендовать на звание одного из первых микропроцессоров или микроконтроллеров с ПЗУ , ОЗУ и набором инструкций RISC на кристалле. Компоновка четырех слоев процесса PMOS была нарисована вручную в масштабе x500 на майларовой пленке, что в то время было серьезной задачей, учитывая сложность чипа.

Pico была дочерней компанией пяти инженеров-конструкторов GI, чье видение заключалось в создании однокристальных интегральных схем калькулятора. У них был значительный предыдущий опыт проектирования нескольких наборов микросхем калькуляторов как с GI, так и с Marconi-Elliott . Первоначально ключевым членам команды Elliott Automation было поручено создать 8-битный компьютер в MOS, и они помогли создать исследовательскую лабораторию MOS в Гленротсе , Шотландия, в 1967 году.

Калькуляторы становились крупнейшим рынком для полупроводников, поэтому Pico и GI добились значительного успеха на этом растущем рынке. GI продолжала внедрять инновации в микропроцессоры и микроконтроллеры, выпуская такие продукты, как CP1600, IOB1680 и PIC1650. В 1987 году бизнес GI Microelectronics был преобразован в бизнес микроконтроллеров Microchip PIC .

Интел 4004 (1971)

Модель 4004 со снятой крышкой (слева) и в том состоянии, в котором она использовалась (справа)

Intel 4004 обычно считается первым настоящим микропроцессором, построенным на одном кристалле, по цене 60 долларов США (что эквивалентно 400 долларам США в 2021 году). Первая известная реклама модели 4004 датирована 15 ноября 1971 года и появилась в Electronic News . Микропроцессор был разработан группой, состоящей из итальянского инженера Федерико Фаггина , американских инженеров Марсиана Хоффа и Стэнли Мазора и японского инженера Масатоши Сима .

Проект по производству 4004 зародился в 1969 году, когда Busicom , японский производитель калькуляторов, попросил Intel создать набор микросхем для высокопроизводительных настольных калькуляторов . Первоначальный дизайн Busicom предусматривал программируемый набор микросхем, состоящий из семи различных микросхем. Три микросхемы должны были сделать ЦП специального назначения с программой, хранящейся в ПЗУ, и его данными, хранящимися в памяти для чтения и записи сдвигового регистра. Тед Хофф , инженер Intel, назначенный для оценки проекта, считает, что дизайн Busicom может быть упрощен за счет использования динамического ОЗУ для хранения данных, а не памяти сдвигового регистра, и более традиционной архитектуры ЦП общего назначения. Хофф выступил с архитектурным предложением с четырьмя микросхемами: микросхема ПЗУ для хранения программ, микросхема динамической ОЗУ для хранения данных, простое устройство ввода-вывода и 4-битный центральный процессор (ЦП). Хотя он и не был разработчиком чипов, он чувствовал, что ЦП можно интегрировать в один чип, но, поскольку ему не хватало технических ноу-хау, эта идея пока оставалась просто желанием.

Первый микропроцессор Intel, 4004

В то время как архитектура и спецификации MCS-4 появились в результате взаимодействия Хоффа со Стэнли Мазором , инженером-программистом, подчиняющимся ему, и с инженером Busicom Масатоши Шима , в течение 1969 года Мазор и Хофф перешли к другим проектам. В апреле 1970 года Intel наняла итальянского инженера Федерико Фаггина в качестве руководителя проекта, что в конечном итоге сделало реальностью окончательный дизайн однокристального процессора (тем временем Шима разработал прошивку калькулятора Busicom и помогал Фаггину в течение первых шести месяцев реализации). Фаггин, который первоначально разработал технологию кремниевых затворов (SGT) в 1968 году в Fairchild Semiconductor и спроектировал первую в мире коммерческую интегральную схему с использованием SGT, Fairchild 3708, имел правильный опыт, чтобы возглавить проект, который впоследствии стал первым коммерческим микропроцессором общего назначения. . Поскольку SGT был его собственным изобретением, Фаггин также использовал его для создания своей новой методологии проектирования случайной логики , которая позволила реализовать однокристальный ЦП с надлежащей скоростью, рассеиваемой мощностью и стоимостью. Во время разработки MCS-4 менеджером отдела проектирования MOS Intel был Лесли Л. Вадас , но внимание Вадаса было полностью сосредоточено на основном бизнесе полупроводниковой памяти, поэтому он оставил руководство и управление проектом MCS-4 Фаггину. , который в конечном итоге отвечал за реализацию проекта 4004. Производственные единицы 4004 были впервые доставлены Busicom в марте 1971 года и отправлены другим клиентам в конце 1971 года.

Техасские инструменты TMX 1795 (1970–1971)

Наряду с Intel (которая разработала 8008 ) Texas Instruments разработала в 1970–1971 годах однокристальную замену ЦП для терминала Datapoint 2200 , TMX 1795 (позже TMC 1795). Как и 8008, он был отклонен клиентом Datapoint. По словам Гэри Буна, TMX 1795 так и не был запущен в производство. Поскольку он был построен по той же спецификации, его набор инструкций был очень похож на Intel 8008.

Texas Instruments TMS 1802NC (1971)

TMS1802NC был анонсирован 17 сентября 1971 года и реализовал четырехфункциональный калькулятор. TMS1802NC, несмотря на свое обозначение, не входил в серию TMS 1000 ; Позже он был переименован в часть серии TMS 0100, которая использовалась в калькуляторе TI Datamath. Несмотря на то, что TMS1802NC продавался как калькулятор на кристалле, он был полностью программируемым, включая ЦП с 11-битным командным словом, 3520 бит (320 инструкций) ПЗУ и 182 бит ОЗУ.

Гилберт Хаятт

Гилберт Хаятт получил патент на изобретение, предшествовавшее TI и Intel, с описанием «микроконтроллера». Позже патент был признан недействительным, но не раньше, чем были выплачены значительные гонорары.

8-битные конструкции

За Intel 4004 в 1972 году последовал Intel 8008 , первый в мире 8-разрядный микропроцессор. Однако 8008 не был расширением конструкции 4004, а стал кульминацией отдельного проекта в Intel, вытекающего из контракта с Computer Terminals Corporation из Сан-Антонио, штат Техас, на микросхему для терминала, который они разрабатывали. Datapoint 2200 — основные аспекты дизайна исходили не от Intel, а от CTC. В 1968 году Вик Пур и Гарри Пайл из CTC разработали оригинальный дизайн набора инструкций и работы процессора. В 1969 году CTC заключила контракт с двумя компаниями, Intel и Texas Instruments , на создание однокристальной реализации, известной как CTC 1201. В конце 1970 или начале 1971 года TI отказалась от участия, так как не смогла создать надежную деталь. В 1970 году, когда Intel еще не поставила эту часть, CTC решила использовать свою собственную реализацию в Datapoint 2200, используя вместо этого традиционную логику TTL (таким образом, первая машина, на которой выполнялся «код 8008», на самом деле вообще не была микропроцессором и была поставлена годом ранее). Версия микропроцессора 1201 от Intel появилась в конце 1971 года, но была слишком поздней, медленной и требовала ряда дополнительных микросхем поддержки. CTC не был заинтересован в его использовании. Первоначально CTC заключила контракт с Intel на поставку чипа и должна была задолжать им 50 000 долларов США (что эквивалентно 334 552 долларам США в 2021 году) за их проектные работы. Чтобы не платить за чип, который они не хотели (и не могли использовать), CTC освободила Intel от своего контракта и разрешила им бесплатно использовать дизайн. Intel продала его как 8008 в апреле 1972 года, как первый в мире 8-битный микропроцессор. На его основе был создан знаменитый компьютерный комплект « Марк-8 », рекламируемый в журнале «Радиоэлектроника » в 1974 году. Этот процессор имел 8-разрядную шину данных и 14-разрядную адресную шину.

8008 был предшественником успешного Intel 8080 (1974), который предлагал улучшенную производительность по сравнению с 8008 и требовал меньше микросхем поддержки. Федерико Фаггин задумал и спроектировал его с использованием высоковольтного N-канального МОП-транзистора. Zilog Z80 (1976 г. ) также был разработан Faggin с использованием низковольтного N-канала с истощающей нагрузкой и производных 8-битных процессоров Intel: все они были разработаны с использованием методологии, созданной Faggin для 4004. Motorola выпустила конкурирующий 6800 в августе 1974 г., а аналогичная MOS Technology 6502 была выпущена в 1975 году (оба разработаны в основном одними и теми же людьми). Семейство 6502 соперничало по популярности с Z80 в 1980-х годах.

Низкая общая стоимость, небольшая упаковка, простые требования к компьютерной шине , а иногда и интеграция дополнительных схем (например, встроенная схема обновления памяти Z80 ) позволили «революции» домашних компьютеров резко ускориться в начале 1980-х годов. Это позволило поставить такие недорогие машины, как Sinclair ZX81 , которые продавались по цене 99 долларов США (что эквивалентно 295,08 долларов США в 2021 году). Вариант 6502, MOS Technology 6510 , использовался в Commodore 64 , а еще один вариант, 8502, использовался в Commodore 128 .

Western Design Center, Inc (WDC) представила CMOS WDC 65C02 в 1982 году и предоставила лицензию на разработку нескольким фирмам. Он использовался в качестве ЦП в персональных компьютерах Apple IIe и IIc , а также в медицинских имплантируемых кардиостимуляторах и дефибрилляторах , автомобильных, промышленных и бытовых устройствах. WDC стала пионером в лицензировании конструкций микропроцессоров, за которым в 1990-х годах последовали ARM (32-разрядная версия) и другие поставщики микропроцессорной интеллектуальной собственности (IP).

Motorola представила MC6809 в 1978 году. Это был амбициозный и хорошо продуманный 8-битный дизайн, который был исходно совместим с 6800 и реализован с использованием чисто жестко запрограммированной логики (последующие 16-битные микропроцессоры обычно в некоторой степени использовали микрокод , поскольку Требования к дизайну CISC становились слишком сложными для чистой жесткой логики).

Еще одним ранним 8-битным микропроцессором был Signetics 2650 , который вызвал кратковременный всплеск интереса благодаря своей инновационной и мощной архитектуре набора команд .

Основополагающим микропроцессором в мире космических полетов был RCA 1802 (он же CDP1802 , RCA COSMAC) (представленный в 1976 году), который использовался на борту зонда Galileo к Юпитеру (запущен в 1989 году, прибыл в 1995 году). Компания RCA COSMAC первой внедрила технологию CMOS . CDP1802 использовался, потому что он мог работать с очень низкой мощностью , и потому что был доступен вариант, изготовленный с использованием специального производственного процесса, кремния на сапфире (SOS), который обеспечивал гораздо лучшую защиту от космического излучения и электростатического разряда , чем любой другой. процессор эпохи. Таким образом, SOS-версия 1802 считается первым радиационно-стойким микропроцессором.

RCA 1802 имел статическую конструкцию , а это означало, что тактовую частоту можно было сделать сколь угодно низкой или даже остановить. Это позволило космическому кораблю Galileo использовать минимальную электроэнергию для длительных полетов без происшествий. Таймеры или датчики будут вовремя будить процессор для важных задач, таких как обновление навигации, управление ориентацией, сбор данных и радиосвязь. Текущие версии Western Design Center 65C02 и 65C816 также имеют статические ядра и, таким образом, сохраняют данные даже при полной остановке часов.

12-битные конструкции

Семейство Intersil 6100 состояло из 12-битного микропроцессора (6100) и ряда микросхем поддержки периферийных устройств и памяти. Микропроцессор распознал набор инструкций миникомпьютера DEC PDP-8 . Поэтому его иногда называли CMOS-PDP8 . Поскольку он также производился Harris Corporation, он также был известен как Harris HM-6100 . Благодаря своей технологии CMOS и связанным с ней преимуществам, 6100 использовался в некоторых военных разработках до начала 1980-х годов.

16-битные конструкции

Первым многокристальным 16-разрядным микропроцессором был National Semiconductor IMP-16 , представленный в начале 1973 года. 8-разрядная версия набора микросхем была представлена ​​в 1974 году как IMP-8.

Другие ранние многочиповые 16-разрядные микропроцессоры включают MCP-1600 , который Digital Equipment Corporation (DEC) использовала в наборе OEM-плат LSI-11 и упакованном миникомпьютере PDP-11/03 , а также Fairchild Semiconductor MicroFlame 9440, оба представленные в 1975–76. В 1975 году National представила первый 16-битный однокристальный микропроцессор National Semiconductor PACE , за которым позже последовала версия NMOS INS8900 .

Еще одним ранним однокристальным 16-разрядным микропроцессором был TMS 9900 от TI , который также был совместим с их линейкой миникомпьютеров TI-990 . 9900 использовался в миникомпьютере TI 990/4, домашнем компьютере Texas Instruments TI-99/4A и линейке микрокомпьютерных плат OEM TM990. Чип был упакован в большой керамический 64-контактный DIP-корпус , в то время как в большинстве 8-битных микропроцессоров, таких как Intel 8080, использовался более распространенный, меньший и менее дорогой пластиковый 40-контактный DIP. Последующий чип, TMS 9980, был разработан, чтобы конкурировать с Intel 8080, имел полный набор 16-битных инструкций TI 990, использовал пластиковый 40-контактный корпус, перемещал данные по 8 бит за раз, но мог адресовать только 16  КБ . Третий чип, TMS 9995, имел новый дизайн. Позже семейство расширилось за счет моделей 99105 и 99110.

Western Design Center ( WDC) представил CMOS 65816 16-битную модернизацию WDC CMOS 65C02 в 1984 году. 16-битный микропроцессор 65816 был ядром Apple IIGS , а затем и Super Nintendo Entertainment System , что сделало его одним из самых популярные 16-битные дизайны всех времен.

Intel «увеличила» свой дизайн 8080 до 16-битного Intel 8086 , первого члена семейства x86 , на котором работает большинство современных компьютеров типа ПК. Intel представила 8086 как экономичный способ переноса программного обеспечения из линейки 8080, и на этом основании ей удалось добиться большого успеха. 8088 , версия 8086, которая использовала 8-битную внешнюю шину данных, была микропроцессором в первом IBM PC . Затем Intel выпустила 80186 и 80188 , 80286 и, в 1985 году, 32-разрядный 80386 , закрепив свое господство на рынке ПК благодаря обратной совместимости семейства процессоров. 80186 и 80188 были, по сути, версиями 8086 и 8088, дополненными некоторыми встроенными периферийными устройствами и несколькими новыми инструкциями. Хотя Intel 80186 и 80188 не использовались в конструкциях типа IBM PC, часто использовались вторые исходные версии от NEC, V20 и V30. В 8086 и его преемниках был инновационный, но ограниченный метод сегментации памяти , а в 80286 был представлен полнофункциональный блок управления сегментированной памятью (MMU). В 80386 представлена ​​плоская 32-битная модель памяти со страничным управлением памятью.

16-разрядные процессоры Intel x86 до 80386 включительно не включают блоки с плавающей запятой (FPU) . Intel представила математические сопроцессоры 8087 , 80187 , 80287 и 80387 , чтобы добавить аппаратные возможности операций с плавающей запятой и трансцендентных функций в процессоры 8086–80386. 8087 работает с 8086/8088 и 80186/80188, 80187 работает с 80186, но не с 80188, 80287 работает с 80286, а 80387 работает с 80386. Комбинация процессора x86 и сопроцессора x87 образует один многокристальный микропроцессор; два чипа программируются как единое целое с использованием единого интегрированного набора инструкций. Сопроцессоры 8087 и 80187 подключены параллельно шинам данных и адреса своего родительского процессора и непосредственно выполняют предназначенные для них инструкции. Сопроцессоры 80287 и 80387 связаны с ЦП через порты ввода-вывода в адресном пространстве ЦП, это прозрачно для программы, которой не нужно знать об этих портах ввода-вывода или обращаться к ним напрямую; программа обращается к сопроцессору и его регистрам через обычные коды операций инструкций.

32-битные проекты

Верхние слои межсоединений на кристалле Intel 80486 DX2

16-битные разработки появились на рынке лишь недолго, когда начали появляться 32-битные реализации.

Наиболее значительным из 32-битных проектов является Motorola MC68000 , представленный в 1979 году. 68k, как он был широко известен, имел 32-битные регистры в своей модели программирования, но использовал 16-битные внутренние пути данных, три 16-битных арифметических Логические блоки и 16-битную внешнюю шину данных (для уменьшения количества выводов), а также извне поддерживали только 24-битные адреса (внутри он работал с полными 32-битными адресами). В IBM-совместимых мейнфреймах на базе ПК внутренний микрокод MC68000 был изменен для эмуляции 32-битного мэйнфрейма System/370 IBM. Motorola обычно описывала его как 16-битный процессор. Сочетание высокой производительности, большого (16  мегабайт или 2 24  байта) объема памяти и достаточно низкой стоимости сделало его самым популярным процессором в своем классе. В проектах Apple Lisa и Macintosh использовался 68000, как и во множестве других проектов середины 1980-х, включая Atari ST и Commodore Amiga .

Первым в мире однокристальным полностью 32-разрядным микропроцессором с 32-разрядными путями данных, 32-разрядными шинами и 32-разрядными адресами был AT&T Bell Labs BELLMAC-32A , первые образцы которого были выпущены в 1980 году, а массовое производство — в 1982 году . После отделения AT&T в 1984 году он был переименован в WE 32000 (WE для Western Electric ) и имел два последующих поколения, WE 32100 и WE 32200. Эти микропроцессоры использовались в миникомпьютерах AT&T 3B5 и 3B15; в 3B2, первом в мире настольном супермикрокомпьютере; в «Компаньоне», первом в мире 32-битном портативном компьютере; и в «Александре», первом в мире супермикрокомпьютере размером с книгу, с картриджами памяти ROM-pack, аналогичными современным игровым консолям. Все эти системы работали под управлением операционной системы UNIX System V.

Первым коммерческим одночиповым полностью 32-разрядным микропроцессором, доступным на рынке, был HP FOCUS .

Первым 32-разрядным микропроцессором Intel был iAPX 432 , представленный в 1981 году, но не имевший коммерческого успеха. Он имел усовершенствованную объектно-ориентированную архитектуру, основанную на возможностях , но низкую производительность по сравнению с современными архитектурами, такими как собственный Intel 80286 (представленный в 1982 г.), который был почти в четыре раза быстрее в типичных тестах производительности. Однако результаты для iAPX432 отчасти объясняются поспешным и, следовательно, неоптимальным компилятором Ады .

Успех Motorola с моделью 68000 привел к появлению модели MC68010 , в которой была добавлена ​​поддержка виртуальной памяти . MC68020 , представленный в 1984 году, добавил полные 32-битные шины данных и адреса. 68020 стал чрезвычайно популярным на рынке супермикрокомпьютеров Unix , и многие небольшие компании (например, Altos , Charles River Data Systems , Cromemco ) производили системы размером с настольный компьютер. Следующим был представлен MC68030 , который улучшил предыдущую конструкцию за счет интеграции MMU в чип. Непрерывный успех привел к появлению MC68040 , включавшего в себя FPU для улучшения математических характеристик. 68050 не смог достичь своих целей по производительности и не был выпущен, а последующий MC68060 был выпущен на рынок, насыщенный гораздо более быстрыми конструкциями RISC. Семейство 68k перестало использоваться в начале 1990-х годов.

Другие крупные компании разработали 68020 и последующие модели для встроенного оборудования. В какой-то момент во встраиваемом оборудовании было больше процессоров 68020, чем процессоров Intel Pentium в ПК. Ядра процессора ColdFire являются производными от 68020.

В это время (с начала до середины 1980-х годов) National Semiconductor представила очень похожий 16-битный вывод, 32-битный внутренний микропроцессор под названием NS 16032 (позже переименованный в 32016), полную 32-битную версию, названную NS 32032 . Позже National Semiconductor выпустила NS 32132 , который позволял двум процессорам размещаться на одной шине памяти со встроенным арбитражем. NS32016/32 превзошел MC68000/10, но NS32332, появившийся примерно в то же время, что и MC68020, не обладал достаточной производительностью. Чип третьего поколения, NS32532, был другим. Его производительность примерно вдвое превышала производительность MC68030, выпущенного примерно в то же время. Появление процессоров RISC, таких как AM29000 и MC88000 (теперь оба мертвы), повлияло на архитектуру финального ядра NS32764. Технически продвинутый — с суперскалярным ядром RISC, 64-битной шиной и внутренним разгоном — он по-прежнему мог выполнять инструкции Series 32000 посредством трансляции в реальном времени.

Когда National Semiconductor решила покинуть рынок Unix, чип был переработан в процессор Swordfish Embedded с набором встроенных периферийных устройств. Чип оказался слишком дорогим для рынка лазерных принтеров и был убит. Команда разработчиков отправилась в Intel и разработала процессор Pentium, который внутри очень похож на ядро ​​NS32764. Большой успех Series 32000 пришелся на рынок лазерных принтеров, где NS32CG16 с микрокодированными инструкциями BitBlt имел очень хорошее соотношение цены и производительности и был принят крупными компаниями, такими как Canon. К середине 1980-х Sequent представила первый компьютер серверного класса SMP, использующий NS 32032. Это была одна из немногих побед разработки, и она исчезла в конце 1980-х. MIPS R2000 (1984 г. ) и R3000 (1989 г.) были очень успешными 32-битными RISC-микропроцессорами. Они использовались, в частности, в высокопроизводительных рабочих станциях и серверах SGI . Другие разработки включали Zilog Z80000 , который слишком поздно появился на рынке, чтобы иметь шанс, и быстро исчез.

ARM впервые появился в 1985 году . Это конструкция процессора RISC , которая с тех пор стала доминировать в пространстве процессоров 32-разрядных встраиваемых систем , в значительной степени благодаря своей энергоэффективности, своей модели лицензирования и широкому выбору инструментов разработки системы. Производители полупроводников обычно лицензируют ядра и интегрируют их в свои собственные системы на чипах ; только несколько таких поставщиков, таких как Apple, имеют лицензию на модификацию ядер ARM или создание своих собственных. Большинство сотовых телефонов оснащены процессором ARM, как и многие другие продукты. Существуют ядра ARM, ориентированные на микроконтроллеры, без поддержки виртуальной памяти, а также симметричные многопроцессорные (SMP) процессоры приложений с виртуальной памятью.

С 1993 по 2003 год 32-разрядные архитектуры x86 становились все более доминирующими на рынках настольных компьютеров , ноутбуков и серверов, а эти микропроцессоры становились быстрее и мощнее. Intel лицензировала ранние версии архитектуры другим компаниям, но отказалась лицензировать Pentium, поэтому AMD и Cyrix построили более поздние версии архитектуры на основе своих собственных разработок. За это время сложность (количество транзисторов) и производительность (инструкций в секунду) этих процессоров увеличились как минимум на три порядка. Линейка Intel Pentium, вероятно, является самой известной и узнаваемой моделью 32-разрядных процессоров, по крайней мере, среди широкой публики.

64-битные конструкции на персональных компьютерах

В то время как 64-битные микропроцессоры использовались на нескольких рынках с начала 1990-х годов (включая игровую консоль Nintendo 64 в 1996 году), в начале 2000-х появились 64-битные микропроцессоры, ориентированные на рынок ПК.

С введением AMD 64-битной архитектуры, обратно совместимой с x86, x86-64 (также называемой AMD64 ) в сентябре 2003 года, за которой последовали почти полностью совместимые 64-битные расширения Intel (сначала называемые IA-32e или EM64T, позже переименованные в Intel ). 64 ), началась эра 64-битных настольных ПК. Обе версии могут запускать 32-битные устаревшие приложения без потери производительности, а также новое 64-битное программное обеспечение. С операционными системами Windows XP x64 , Windows Vista x64, Windows 7 x64, Linux , BSD и macOS , которые работают в 64-разрядном режиме, программное обеспечение также предназначено для полного использования возможностей таких процессоров. Переход на 64 бита — это больше, чем просто увеличение размера регистра по сравнению с IA-32, так как он также удваивает количество регистров общего назначения.

Переход PowerPC на 64-разрядную версию планировался с момента проектирования архитектуры в начале 90-х годов и не был основной причиной несовместимости. Существующие целочисленные регистры расширены, как и все связанные пути передачи данных, но, как и в случае с IA-32, блоки как с плавающей запятой, так и с векторами работали с разрядностью 64 бита или выше в течение нескольких лет. В отличие от того, что произошло, когда IA-32 была расширена до x86-64, в 64-разрядном PowerPC не было добавлено никаких новых регистров общего назначения, поэтому любой прирост производительности при использовании 64-разрядного режима для приложений, не использующих большее адресное пространство, минимален. .

В 2011 году ARM представила новую 64-битную архитектуру ARM.

РИСК

В середине 1980-х - начале 1990-х годов появилось множество новых высокопроизводительных компьютерных микропроцессоров с сокращенным набором команд ( RISC ), на которые повлияли конструкции дискретных RISC-подобных ЦП, таких как IBM 801 и другие. Микропроцессоры RISC первоначально использовались в машинах специального назначения и рабочих станциях Unix , но затем получили широкое распространение в других ролях.

Первый коммерческий микропроцессор RISC был выпущен в 1984 году компанией MIPS Computer Systems , 32-битный R2000 (R1000 не был выпущен). В 1986 году HP выпустила свою первую систему с процессором PA-RISC . В 1987 году в компьютерах Acorn , отличных от Unix , 32-разрядный, а затем без кэш-памяти Acorn Archimedes на базе ARM2 стал первым коммерческим успехом с использованием архитектуры ARM , тогда известной как Acorn RISC Machine (ARM); первый кремниевый ARM1 в 1985 году. R3000 сделал конструкцию действительно практичной, а R4000 представил первый в мире коммерчески доступный 64-битный RISC-микропроцессор. Результатом конкурирующих проектов станут архитектуры IBM POWER и Sun SPARC . Вскоре все крупные поставщики выпускали RISC-дизайн, включая AT&T CRISP , AMD 29000 , Intel i860 и Intel i960 , Motorola 88000 , DEC Alpha .

В конце 1990-х только две 64-битные RISC-архитектуры все еще производились в больших объемах для невстроенных приложений: SPARC и Power ISA , но по мере того, как ARM становилась все более мощной, в начале 2010-х она стала третьей RISC-архитектурой в общем вычислительный сегмент.

SMP и многоядерный дизайн

двухсторонняя материнская плата abit
Материнская плата ABIT BP6 поддерживает два процессора Intel Celeron 366Mhz. На рисунке показаны радиаторы Zalman.
материнская плата компьютера с радиаторами Zalman
Показана двухгнездовая материнская плата Abit BP6 с радиаторами Zalman Flower.

Симметричная многопроцессорная обработка SMP — это конфигурация из двух, четырех или более процессоров (попарно), которые обычно используются в серверах, некоторых рабочих станциях и настольных персональных компьютерах с 1990-х годов. Многоядерный процессор — это один ЦП, который содержит более одного ядра микропроцессора.

Эта популярная двухпроцессорная материнская плата от Abit была выпущена в 1999 году как первая системная плата для ПК с поддержкой SMP. Intel Pentium Pro был первым коммерческим процессором, предлагаемым сборщикам систем и энтузиастам. Abit BP9 поддерживает два ЦП Intel Celeron, и при использовании с операционной системой с поддержкой SMP (Windows NT/2000/Linux) многие приложения получают гораздо более высокую производительность, чем один ЦП. Ранние Celeron легко разгонялись, и любители использовали эти относительно недорогие процессоры с тактовой частотой до 533 МГц, что намного превосходило спецификации Intel. Узнав возможности этих материнских плат, Intel удалила доступ к множителю в более поздних процессорах.

В 2001 году IBM выпустила ЦП POWER4 . Это был процессор, который разрабатывался в течение пяти лет исследований, начатых в 1996 году командой из 250 исследователей. Стремление совершить невозможное подкреплялось развитием и посредством удаленного сотрудничества и назначением молодых инженеров для работы с более опытными инженерами. Работа бригады добилась успеха с новым микропроцессором Power4. Это процессор «два в одном», производительность которого увеличилась более чем в два раза при вдвое меньшей цене, чем у конкурентов, и это значительный прогресс в вычислительной технике. Деловой журнал eWeek написал: «Новый процессор Power4 с частотой 1 ГГц представляет собой огромный скачок по сравнению с его предшественником» . Отраслевой аналитик Брэд Дэй из Giga Information Group сказал: «IBM становится очень агрессивной, и этот сервер меняет правила игры».

Power4 получил награду « Выбор аналитиков» за лучший процессор для рабочих станций/серверов 2001 года и побил известные рекорды, включая победу в соревновании с лучшими игроками на Jeopardy! Телевизионное шоу США.

Процессоры Intel под кодовым названием Yonah были выпущены 6 января 2006 года и производились с двумя кристаллами, упакованными в многокристальный модуль . На рынке с острой конкуренцией AMD и другие компании выпустили новые версии многоядерных процессоров, AMD SMP включила процессоры Athlon MP из линейки AthlonXP в 2001 году, Sun выпустила Niagara и Niagara 2 с восемью ядрами, AMD Athlon X2 был выпущен в июне. 2007. Компании были вовлечены в нескончаемую гонку за скоростью, действительно, более требовательное программное обеспечение требовало большей вычислительной мощности и более высокой скорости процессора.

К 2012 году двухъядерные и четырехъядерные процессоры стали широко использоваться в ПК и ноутбуках, более новые процессоры — аналогичные более дорогим профессиональным процессорам Intel Xeon — с дополнительными ядрами, которые выполняют инструкции параллельно, поэтому производительность программного обеспечения обычно увеличивается, при условии, что программное обеспечение предназначено для использования продвинутое оборудование. Операционные системы обеспечивали поддержку многоядерных и SMD-процессоров, многие программные приложения, включая приложения с большой рабочей нагрузкой и ресурсоемкие приложения, такие как трехмерные игры, запрограммированы на использование преимуществ многоядерных и многопроцессорных систем.

Apple, Intel и AMD в настоящее время лидируют на рынке многоядерных процессоров для настольных ПК и рабочих станций. Хотя они часто обмениваются хип-хопом друг с другом за лидерство в уровне производительности. Intel сохраняет более высокие частоты и, таким образом, имеет самую высокую производительность одного ядра, в то время как AMD часто является лидером в многопоточных процедурах из-за более продвинутой ISA и узла процесса, на котором производятся процессоры.

Концепции многопроцессорности для многоядерных/многопроцессорных конфигураций связаны с законом Амдала .

Статистика рынка

В 1997 году около 55% всех проданных в мире ЦП составляли 8-битные микроконтроллеры , которых было продано более 2 миллиардов.

В 2002 г. менее 10% всех продаваемых в мире процессоров были 32-разрядными и более. Из всех проданных 32-битных процессоров около 2% используются в настольных или портативных персональных компьютерах. Большинство микропроцессоров используются во встроенных приложениях управления, таких как бытовая техника, автомобили и компьютерная периферия. В целом средняя цена микропроцессора, микроконтроллера или DSP составляет чуть более 6 долларов США (что эквивалентно 9,04 доллара США в 2021 году).

В 2003 году было произведено и продано микропроцессоров на сумму около 44 миллиардов долларов (что эквивалентно примерно 65 миллиардам долларов в 2021 году). Хотя около половины этих денег было потрачено на процессоры, используемые в настольных или портативных персональных компьютерах , они составляют лишь около 2% всех проданных процессоров. Цена микропроцессоров для ноутбуков с поправкой на качество повышалась с -25% до -35% в год в 2004–2010 гг., а темпы роста замедлились до -15–25% в год в 2010–2013 гг.

В 2008 году было произведено около 10 миллиардов ЦП. Большинство новых ЦП, производимых каждый год, являются встраиваемыми.

Смотрите также

Заметки

использованная литература

  • Рэй, Аляска; Бхурчанд, К.М. Усовершенствованные микропроцессоры и периферийные устройства . Индия: Тата Макгроу-Хилл.

внешние ссылки