СРС №7 Історія розвитку мікропроцесорів

 

В історії розвитку мікропроцесорної техніки виділяють одинадцятій поколінь мікропроцесорів.

 

Процесори першого і другого покоління

До цих процесорів відносяться МП фірми Intel 8080, 8086/8088 і 80286. Першим МП, на основі якого стали створювати персональні комп’ютери, був МП 8080. Він був 8-розрядним, мав тактову частоту 2 МГц і містив 6 тис. транзисторів. Продуктивність такого комп’ютера була невисокою, однак її виявилося достатньо для успішного застосування в якості контролера різних приладів, пристроїв та систем автоматики. В даний час цей МП не використовується, але замість нього широко застосовується 8-розрядний МП +8085, що відрізняється значно меншою споживаною потужністю.

Потім фірмою розробили МП 80186, який не отримав розповсюдження, а в 1982 р — МП 80286, що став основою комп’ютера PC АТ, що з’явився на ринку в 1984 р Якщо МП 8086 містив 29 тис. транзисторів, то МП 80286 вже 134 тис. Цей МП мав ту ж розрядність, але більш високі тактову частоту і обсяг адресується пам’яті (до 16 Мбайт). Крім того, МП дозволяв працювати з так званою віртуальною пам’яттю і підтримував мультизадачний режим. Якщо фізична пам’ять виявлялася повністю завантаженою, то дані, що не помістилися в пам’ять, розташовувалися на вінчестері, тобто процесор працював вже не з реальними, а з віртуальними адресами, які формувалися за допомогою спеціальних таблиць, що зберігаються у внутрішній реєстрової пам’яті МП.

У режимі мультизадачності процесор виконував різні програми у відведені відрізки часу, при цьому користувачеві здавалося, що вони виконуються одночасно. В цілому продуктивність МП 80286 більш ніж в 6 разів перевищувала продуктивність МП +8086.

 

Процесори третього покоління

У 1985 р був представлений 32-розрядний МП Intel 80386, який з урахуванням більш досконалих модифікацій базового МП випускався до 1992 р Цей МП містив 275 тис. транзисторів. Процесор працював з більш високою тактовою частотою (останні модифікації — до 33 МГц). Подвоєння розрядності адрес забезпечувало адресацію фізичної пам’яті до 4 Гбайт, а віртуальної — до 64 Гбайт. Підвищення продуктивності МП зажадало і більш швидкодіючої пам’яті, і у МП 80386 вперше була забезпечена робота із зовнішньою кеш-пам’яттю, виконаної на основі швидкодіючих статичних ЗУ. Для цього на материнській платі комп’ютера крім звичайних динамічних ЗУ розміщувалися мікросхеми кеш-пам’яті і кеш-контролер.

Випуском МП 80386 займалася не тільки фірма Intel, але і багато її конкурентів — фірми Chips & Technologies, Texas Instruments, Cyrix. А фірма AMD розробила і випустила в 1991 р МП, що працює з тактовою частотою 40 МГц.

 

Процесори четвертого покоління

МП Intel 80486, що з’явився в 1989 р, містив вже 1200000 транзисторів і протягом довгого часу був стандартом для висококласних комп’ютерів.

Відмінності між процесором 80386 і 80486 значні. Перевага в продуктивності нового МП перед попередником визначався не стільки більш високою тактовою частотою, скільки удосконаленнями в архітектурі. МП 80486 мав розширений набір з шести команд. У мікросхему МП була вбудована внутрішня кеш-пам’ять для даних і команд, керована внутрішнім контролером. МП 80486 мав вбудований в мікросхему математичний співпроцесор, що забезпечував ефективні обчислення з числами. Нарешті, в МП була реалізована конвеєризація обчислень, якою кожна наступна команда починала виконуватися відразу ж після проходження першої ступені конвеєра попередньою командою.

Фірма Intel послідовно вдосконалювала цей МП, випустивши кілька модифікацій, у яких робота самого МП здійснювалася з удвічі, а потім і вчетверо більшою частотою, ніж частота роботи в материнській платі (цю можливість забезпечує наявність внутрішньої кешпамяті). Деякий час він навіть конкурував з МП Pentium.

 

Процесори п’ятого покоління

 Перший МП цього покоління був випущений в 1993 р Він розроблявся під кодовим номером Р5 і повинен був називатися 80586, але згодом його стали називати Pentium. МП має 3100000 транзисторів. Підвищення продуктивності МП п’ятого покоління пов’язано з наступними архітектурними удосконаленнями:

  • отримала подальший розвиток конвеєризація обчислень; кількість конвеєрів збільшилася до двох, а число ступенів одного конвеєра — до п’яти;
  • МП забезпечує зберігання адрес останніх 256 умовних і безумовних переходів, що дозволяє швидко сформувати адреса наступної виконуваної команди (так звана технологія передбачення переходів);
  • кеш-пам’ять у МП Pentium роздільна для команд і даних, по 8 Кбайт для кожної (у МП 80486 кешпамять — загальна);
  • МП має більш досконалий математичний співпроцесор, що забезпечує 3-4-разовий виграш по швидкості виконання операцій;
  • МП має 64-бітну шину даних (у 80486-32-бітна). Було розроблено ряд модифікацій МП Pentium, у яких внутрішня тактова частота в 1,5; 2; 2,5 і 3 рази більше, ніж тактова частота роботи материнської плати. Постійно вдосконалювалася технологія: якщо перший МП був виготовлений по 0,8 мкм технології, наступні зміни — по 0,35 мкм технології, то останні моделі — по 0,25 мкм технології.

Найвищим досягненням фірми Intel в розробці МП п’ятого покоління з’явився МП Pentium MMX, випущений в 1997 р Цей МП орієнтований на вирішення завдань мультимедіа, що вимагають інтенсивних операцій з цілими числами. Подібні завдання вирішують ігрові, комунікаційні, навчальні програми, які використовують графіку, аудіо, тривимірне зображення, мультиплікацію і т.п.

 

Процесори шостого покоління

У 1995 р фірмою Intel був розроблений МП 80686, що отримав назву Pentium Pro. У цьому МП, що містить 5500000 транзисторів, поряд зі старими були застосовані нові прийоми підвищення продуктивності.

Новий МП має не п’ять, а чотирнадцятеро щаблів конвеєра, число ж самих конвеєрів зростає з двох до трьох, застосовані нові прийоми завчасного визначення адрес переходів. МП володіє дворівневої кеш-пам’яттю. Кеш-пам’ять другого рівня, раніше розміщувалася на материнській платі, тепер вбудована в МП і може працювати з тактовою частотою МП, у кілька разів більшою тактовою частоти материнської плати. Кеш-пам’ять другого рівня значно збільшує продуктивність МП при реалізації багатозадачного режиму роботи. Але найістотнішим нововведенням стало використання технології позачергового виконання команд (див. Розділ 5).

Подальше вдосконалення МП шостого покоління призвело до появи МП Pentium II (1997 г.), який поєднує в собі переваги технології Pentium Pro і ММХ. Був випущений цілий ряд МП серії Pentium II, що відрізнялися один від одного все більш високою тактовою частотою (від 233 до 450 МГц).

У 1999 р на зміну МП Pentium II прийшов МП Pentium III. Його основна відмінність від попереднього полягало в істотному розширенні набору спеціальних команд для обробки цілочисельних даних, необхідних для обробки зображень. Удосконалення технології призвело до переходу від 0,25 мкм технології до 0,18 мкм і появі ряду модифікацій з більш високими тактовими частотами, останньою з яких була 733 МГц.

Великих успіхів у розробці МП шостого покоління домоглася фірма AMD. Деякі її процесори сімейства Athlon не тільки відповідали МП сімейства Pentium III по продуктивності, але й перевершували їх.

 Фірмами Intel і AMD велися розробки дешевших МП шостого покоління. Спрощеним аналогом МП Pentium став процесор Celeron, а МП Athlon — Duron. МП цих родин призначені для використання в звичайних домашніх комп’ютерах.

 

Процесори сьомого покоління

 Перший МП цього покоління був випущений НЕ фірмою Intel, a AMD в 1999 р Це — перший процесор сімейства К-7, виконаний за 0,22 мкм технології. Цей МП працює з тактовою частотою 500 МГц і містить 22 млн транзисторів.

МП сьомого покоління корпорації Intel — Pentium 4 став серйозною модернізацією архітектури процесора

Pentium PRO. Напрями його модернізації були аналогічні тим, що і у МП К-7. Це перехід на нову системну шину, розширення обсягів кеш-пам’яті і числа конвеєрів. Загальне число щаблів конвеєра у Pentium 4 стало становити 20 (у К-7 тільки 10). Крім того, застосовано удосконалення, що дозволило прискорити процес виконання команд. Якщо у МП К-7 команда, що міститься в кеш-пам’яті, декодується щораз при її виконанні, то МП Pentium 4 зберігає вже декодовані команди, тобто внутрішні команди для вузлів МП.

Зростання продуктивності процесорів Pentium 4 здійснювався за рахунок поліпшення технології і переходу на більш низьку технологічну норму, збільшення тактової частоти роботи ядра процесора, обсягів кешпамяті і підняття частоти системної шини.

Перший процесор Pentium 4 був реалізований на ядрі Willamette. Він був представлений 20 листопада 2000, виготовлений за технологією 0,18 мкм і містив 42 млн транзисторів. Тактова частота ядра становила 1,4 ГГц, об’єм кешпамяті — 265 Кбайт, частота системної шини — 400 МГц.

Подальше удосконалення процесорів Pentium 4 призвело до появи у них 64-розрядної шини адреси, після чого процесори, виходячи з класифікації, стали ставитися вже до восьмого покоління.

 

Процесори восьмого покоління

Поки фірма Intel займалася удосконаленням свого процесора Pentium 4, фірма AMD розробила принципово нові 64-розрядні процесори, сумісні з системою команд усіх попередніх процесорів х86. Це процесори Р8  —  Athlon і Opteron, що з’явилися в 2003 р Нова архітектура процесорів отримала назву х86-64.

МП, виконаний за 0,13 мкм технології, став мати дев`ять конвеєрних блоків для операцій з цілими і речовими числами, а також три декодера команд, покращений блок пророкування розгалужень — до 16000 адрес переходів. Одна з інновацій МП — вбудований контроллер пам’яті, який дозволив істотно прискорити процеси звернення МП до ОЗУ.

Переваги процесорів Р8 стали проявлятися при роботі з великими базами даних і системами САПР (CAD-системи). У порівнянні з 32-бітної адресацією в 4 Гбайт пам’яті, при 64-бітної адресації комп’ютер отримує в своє розпорядження 16 Тбайт. Сьогодні великі бази даних вже значно перевищили обсяг в 4 Гбайт. Процесори можуть працювати як в режимі сумісності з 32-бітними програмними додатками, так і з 64-бітними. Однак для повної реалізації переваг МП До -8 знадобилася нова 64-бітна операційна система Windows.

Дуже важливою перевагою МП Р-8 стала можливість організації високопродуктивної багатопроцесорної структури завдяки новому трехшінному високошвидкісному інтерфейсу HyperThransport, через який процесори зв’язуються між собою.

Процесори Athlon 64 були призначені для використання в персональних комп’ютерах, a Opteron — в серверах. Завдяки сумісності з системою команд х86 процесори Opteron швидко зайняли сектор виробництва серверів.

Свою відповідь в області 64-розрядних процесорів, сумісних з системою команд х86, фірма Intel зробила лише навесні 2004 г. — процесор Pentium 4F. Право використання архітектури х86-64 фірма Intel отримала на основі кроссліцензіонного угоди з фірмою AMD, згідно з яким обидві фірми повинні передавати один одному інноваційні рішення в галузі архітектури та систем команд процесорів (це було вигідно обом фірмам). Ця архітектура отримала назву ЕМ64Т — 64-розрядна технологія з розширеною пам’яттю (Extended Memory 64 Technology). Надалі технологія ЕМ64Т стала невід’ємною частиною всіх наступних процесорів, що випускаються фірмою Intel.

 

Процесори дев’ятого покоління

 До дев’ятого покоління будемо відносити багатоядерні процесори, для яких була розроблена спеціальна багатоядерна мікроархітектура. Такими процесорами у фірми Intel стала серія Intel Core 2, у фірми AMD — серія Phenom, виконана на базі мікроархітектури К-10.

Перші процесори Intel Core 2 були представлені 27 липня 2006 Вони були виконані по 65 нм технології. В основу їх архітектури була покладена архітектура процесора шостого покоління (Pentium Pro). Шлях розвитку за рахунок збільшення числа ступенів конвеєра і тактової частоти був визнаний тупиковим, оскільки це вело до зростанню енергоспоживання без помітного збільшення у продуктивності.

 

Процесори десятого покоління

Перші процесори десятого покоління були розроблені фірмою Intel в кінці 2008 р Це були процесори Intel Core i7, реалізовані на основі мікроархітектури Nehalem і виконані на базі технологічної норми 45 нм з числом транзисторів не менше 731 млн. Вони стали логічним розвитком процесорів Intel Core, в них використовувалася та ж базова архітектура ядра процесора, але разом з тим був впроваджений і цілий ряд інновацій.

В цілому, процесори десятого покоління Nehalem стали суттєвим кроком вперед, завдяки якому фірма Intel знову стала займати лідируюче положення в області розробки процесорів.

Наступним кроком у галузі вдосконалення своїх процесорів у Intel став перехід на нову технологічну норму 32 нм. Ці процесори отримали нову назву Westmere і випускалися протягом всього 2010 р

У фірми AMD процесорами десятого покоління стало сімейство Phenom II, перші представники якого з’явилися на самому початку 2009 р Це були чотириядерні процесори, виконані по технологічному процесу 45 нм, Phenom II ХА (цифра 4 вказує на число ядер).

 

Процесори одинадцятого покоління

Одинадцяте покоління процесорів, створених фірмою Intel, реалізовано на основі нової мікроархітектури Sandy Bridge. Ця мікроархітектура — подальший розвиток мікроархітектури Nehalem. Процесори виконуються за технологією 32 нм. Кількість ядер у різних модифікацій процесорів може коливатися від 1 до 8. Як і Nehalem, Sandy Bridge має три рівні кеш-пам’яті, причому обсяг кешпамяті третього рівня у різних поредставітелей може коливатися від 1-1,5 Мбайта (у найпростіших одноядерних процесорів Celeron) до 20 Мбайт (8-ядерні процесори для серверів). Процесори мають інтегровані вдосконалені двоканальний контролер пам’яті, контролер системної шини (утворюють вбудований в чіп так званий північний міст набору системної логіки) і графічний контролер.

В цілому процесори Sandy Bridge мають удвічі більшу продуктивність, ніж їхні попередники Nehalem (при рівній тактовій частоті).

На основі мікроархітектури Sandy Bridge також розроблені процесори Ivy Bridge, які мають таку саму структуру, але виконуються за технологією 22 нм.

У фірми AMD представником одинадцятого покоління став процесор Bulldozer. Він має повністю перероблену архітектуру в порівнянні з попередніми поколіннями процесорів AMD, до 16 ядер, збільшений об’єм кеш-пам’яті третього рівня. Як і процесори Sandy Bridge, вони підтримують набір команд AVX і мають інтегроване в кристал графічне ядро. У процесорах введена поліпшена технологія передачі даних на основі чотирьохканальною шини HyperTransport 3.0.

 

 


Завдання:

  1. Ознайомитись з матеріалом.

  2. Скласти таблицю:

Покоління

Процесор Рік випуску Тактова частота Кількість транзисторів Провідна технологія