Τώρα, ακόμη λιγότερο προηγμένα κινητά τηλέφωνα δεν μπορούν να κάνουν χωρίς μικροεπεξεργαστή, τι μπορούμε να πούμε για tablet, φορητούς και επιτραπέζιους προσωπικούς υπολογιστές. Τι είναι ο μικροεπεξεργαστής και πώς εξελίχθηκε η ιστορία της δημιουργίας του; Αν μιλήσεις σε κατανοητή γλώσσα, τότε ο μικροεπεξεργαστής είναι ένα πιο σύνθετο και πολυλειτουργικό ολοκληρωμένο κύκλωμα.

Η ιστορία του μικροκυκλώματος (ολοκληρωμένο κύκλωμα) ξεκινά από το 1958, όταν ο Jack Kilby, υπάλληλος της αμερικανικής εταιρείας Texas Instruments, εφηύρε ένα είδος συσκευής ημιαγωγών που περιέχει πολλά τρανζίστορ συνδεδεμένα με αγωγούς σε μία συσκευασία. Το πρώτο μικροκύκλωμα - ο πρόγονος του μικροεπεξεργαστή - περιείχε μόνο 6 τρανζίστορ και ήταν μια λεπτή πλάκα γερμανίου με ίχνη από χρυσό και όλα αυτά βρισκόταν σε ένα γυάλινο υπόστρωμα. Για σύγκριση, σήμερα ο λογαριασμός πηγαίνει σε μονάδες και ακόμη και σε δεκάδες εκατομμύρια στοιχεία ημιαγωγών.

Μέχρι το 1970Πολλοί κατασκευαστές ασχολήθηκαν με την ανάπτυξη και τη δημιουργία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων διαφόρων χωρητικοτήτων και διαφορετικών λειτουργικών προσανατολισμών. Αλλά φέτος μπορεί να θεωρηθεί η ημερομηνία γέννησης του πρώτου μικροεπεξεργαστή. Ήταν φέτος που η Intel δημιούργησε ένα τσιπ μνήμης με χωρητικότητα μόνο 1 Kbit - αμελητέα για τους σύγχρονους επεξεργαστές, αλλά απίστευτα μεγάλο για εκείνη την εποχή. Εκείνη την εποχή, αυτό ήταν ένα τεράστιο επίτευγμα - ένα τσιπ μνήμης ήταν σε θέση να αποθηκεύσει έως και 128 byte πληροφοριών - πολύ υψηλότερο από παρόμοια ανάλογα. Επιπλέον, την ίδια περίπου εποχή, ο Ιάπωνας κατασκευαστής αριθμομηχανών Busicom παρήγγειλε τα ίδια τσιπ Intel 12 διαφόρων λειτουργικών προσανατολισμών. Οι ειδικοί της Intel κατάφεραν να εφαρμόσουν και τις 12 λειτουργικές περιοχές σε ένα τσιπ. Επιπλέον, το δημιουργημένο μικροκύκλωμα αποδείχθηκε πολυλειτουργικό, καθώς κατέστησε δυνατή την προγραμματική αλλαγή των λειτουργιών του χωρίς αλλαγή της φυσικής δομής. Το μικροκύκλωμα εκτελούσε ορισμένες λειτουργίες ανάλογα με τις εντολές που δίνονταν στις εξόδους ελέγχου του.

Ήδη ένα χρόνο μετά το 1971Η Intel κυκλοφορεί τον πρώτο μικροεπεξεργαστή 4 bit, με την κωδική ονομασία 4004. Σε σύγκριση με το πρώτο τσιπ των 6 τρανζίστορ, περιείχε έως και 2,3 χιλιάδες στοιχεία ημιαγωγών και εκτελούσε 60 χιλιάδες λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο. Εκείνη την εποχή, ήταν μια τεράστια ανακάλυψη στον τομέα της μικροηλεκτρονικής. Το 4-bit σήμαινε ότι το 4004 μπορούσε να επεξεργαστεί δεδομένα 4-bit ταυτόχρονα. Άλλα δύο χρόνια μετά το 1973η εταιρεία παράγει έναν επεξεργαστή 8-bit 8008, ο οποίος λειτουργούσε ήδη με δεδομένα 8-bit. Αρχή από το 1976, η εταιρεία αρχίζει να αναπτύσσει μια έκδοση 16-bit του μικροεπεξεργαστή 8086. Ήταν αυτός που άρχισε να χρησιμοποιείται στους πρώτους προσωπικούς υπολογιστές της IBM και, στην πραγματικότητα, έβαλε ένα από τα τούβλα στην ιστορία των υπολογιστών.

Τύποι μικροεπεξεργαστών

Από τη φύση του εκτελέσιμου κώδικα και την οργάνωση της συσκευής ελέγχου, διακρίνονται διάφοροι τύποι αρχιτεκτονικών:

Ένας επεξεργαστής με ένα πολύπλοκο σύνολο οδηγιών.Αυτή η αρχιτεκτονική χαρακτηρίζεται από μεγάλο αριθμό πολύπλοκων εντολών, και ως αποτέλεσμα, μια πολύπλοκη συσκευή ελέγχου. Οι πρώτες εκδόσεις των επεξεργαστών CISC και των επεξεργαστών για ενσωματωμένες εφαρμογές χαρακτηρίζονται από μεγάλους χρόνους εκτέλεσης εντολών (από μερικούς κύκλους έως εκατοντάδες), που καθορίζονται από τον μικροκώδικα της συσκευής ελέγχου. Οι υπερβαθμωτοί επεξεργαστές υψηλής απόδοσης χαρακτηρίζονται από βαθιά ανάλυση προγράμματος και ακατάλληλη εκτέλεση λειτουργιών.

Ένας επεξεργαστής με ένα απλοποιημένο σύνολο οδηγιών.Αυτή η αρχιτεκτονική έχει μια πολύ απλούστερη συσκευή ελέγχου. Οι περισσότερες οδηγίες του επεξεργαστή RISC περιέχουν τον ίδιο μικρό αριθμό λειτουργιών (1, μερικές φορές 2-3) και οι ίδιες οι λέξεις εντολών έχουν το ίδιο πλάτος στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων (PowerPC, ARM), αν και υπάρχουν εξαιρέσεις (Coldfire). Οι Superscalar επεξεργαστές έχουν την απλούστερη ομαδοποίηση εντολών χωρίς να αλλάζουν τη σειρά εκτέλεσης.

Ένας επεξεργαστής με ρητό παραλληλισμό.Διαφέρει από άλλα κατά κύριο λόγο στο ότι η ακολουθία και ο παραλληλισμός της εκτέλεσης των λειτουργιών και η κατανομή τους μεταξύ λειτουργικών μονάδων ορίζονται σαφώς από το πρόγραμμα. Τέτοιοι επεξεργαστές μπορούν να έχουν μεγάλο αριθμό λειτουργικών μονάδων χωρίς μεγάλη επιπλοκή της συσκευής ελέγχου και απώλεια απόδοσης. Τυπικά, τέτοιοι επεξεργαστές χρησιμοποιούν μια ευρεία λέξη οδηγιών που αποτελείται από πολλές συλλαβές που καθορίζουν τη συμπεριφορά κάθε λειτουργικής μονάδας κατά τη διάρκεια ενός κύκλου.

Ένας επεξεργαστής με ένα ελάχιστο σύνολο οδηγιών.Αυτή η αρχιτεκτονική καθορίζεται κυρίως από έναν εξαιρετικά μικρό αριθμό εντολών (αρκετές δεκάδες) και σχεδόν όλες είναι μηδενικού τελεστή. Αυτή η προσέγγιση καθιστά δυνατή τη συσκευασία του κώδικα πολύ σφιχτά, εκχωρώντας από 5 έως 8 bit για μία εντολή. Τα ενδιάμεσα δεδομένα σε έναν τέτοιο επεξεργαστή αποθηκεύονται συνήθως στην εσωτερική στοίβα και οι λειτουργίες εκτελούνται στις τιμές στην κορυφή της στοίβας. Αυτή η αρχιτεκτονική σχετίζεται στενά με την ιδεολογία προγραμματισμού στη γλώσσα Forth και συνήθως χρησιμοποιείται για την εκτέλεση προγραμμάτων γραμμένων σε αυτή τη γλώσσα.

Ένας επεξεργαστής με ένα μεταβλητό σύνολο εντολών.Μια αρχιτεκτονική που σας επιτρέπει να επαναπρογραμματίσετε τον εαυτό σας αλλάζοντας το σύνολο των οδηγιών, προσαρμόζοντάς το στην εργασία που επιλύεται.

Επεξεργαστής με διαχείριση μεταφοράς.Η αρχιτεκτονική αρχικά διακλαδίστηκε από το EPIC, αλλά είναι θεμελιωδώς διαφορετική από τις υπόλοιπες στο ότι οι οδηγίες ενός τέτοιου επεξεργαστή κωδικοποιούν λειτουργικές λειτουργίες και οι λεγόμενες μεταφορές είναι μεταφορές δεδομένων μεταξύ λειτουργικών μονάδων και μνήμης με αυθαίρετη σειρά.

Σύμφωνα με τη μέθοδο αποθήκευσης προγραμμάτων, διακρίνονται δύο αρχιτεκτονικές:

Αρχιτεκτονική Von Neumann. Αυτή η αρχιτεκτονική χρησιμοποιεί έναν δίαυλο και μία συσκευή I/O για πρόσβαση σε προγράμματα και δεδομένα.

Αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ.Σε επεξεργαστές αυτής της αρχιτεκτονικής, υπάρχουν ξεχωριστοί δίαυλοι και συσκευές εισόδου-εξόδου για την ανάκτηση προγραμμάτων και την ανταλλαγή δεδομένων. Σε ενσωματωμένους μικροεπεξεργαστές, μικροελεγκτές και DSP, αυτό ορίζει επίσης την ύπαρξη δύο ανεξάρτητων συσκευών μνήμης για την αποθήκευση προγραμμάτων και δεδομένων. Στις κεντρικές μονάδες επεξεργασίας, αυτό καθορίζει την ύπαρξη ξεχωριστής κρυφής μνήμης εντολών και δεδομένων. Πίσω από την κρυφή μνήμη, τα λεωφορεία μπορούν να συνδυαστούν σε ένα μέσω πολυπλεξίας.

Εισαγωγή

1 Ανάπτυξη μικροεπεξεργαστών

2 μικροεπεξεργαστές i80386

3 μικροεπεξεργαστές i80486

4 Επεξεργαστές Pentium

5 Απόδοση επεξεργαστή

6 Συνεπεξεργαστές

Βιβλιογραφία

Εισαγωγή

Το πιο σημαντικό στοιχείο κάθε υπολογιστή είναι ο μικροεπεξεργαστής. Καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις δυνατότητες του υπολογιστικού συστήματος. Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής i4004 κατασκευάστηκε το 1971 και από τότε η Intel κατέχει σταθερά ηγετική θέση στο τμήμα της αγοράς. Το πιο επιτυχημένο έργο ανάπτυξης είναι το i8080. Σε αυτόν βασίστηκε ο υπολογιστής Altair, για τον οποίο ο B. Gates έγραψε τον πρώτο του διερμηνέα Basic. Η κλασική αρχιτεκτονική i8080 είχε τεράστιο αντίκτυπο στην περαιτέρω ανάπτυξη μικροεπεξεργαστών ενός chip. Ο μικροεπεξεργαστής i8088, ο οποίος ανακοινώθηκε από την Intel τον Ιούνιο του 1979, έγινε το πραγματικό βιομηχανικό πρότυπο για υπολογιστές. Το 1981, ο «μπλε γίγαντας» (IBM) επέλεξε αυτόν τον επεξεργαστή για τον υπολογιστή του. Αρχικά, ο μικροεπεξεργαστής i8088 λειτουργούσε στα 4,77 MHz και είχε ταχύτητα περίπου 0,33 Mops, αλλά στη συνέχεια αναπτύχθηκαν οι κλώνοι του, σχεδιασμένοι για υψηλότερη συχνότητα ρολογιού 8 MHz. Ο μικροεπεξεργαστής i8086 εμφανίστηκε ακριβώς ένα χρόνο νωρίτερα, τον Ιούλιο του 1978, και έγινε δημοφιλής χάρη στον υπολογιστή CompaqDecPro. Με βάση την αρχιτεκτονική i8086 και λαμβάνοντας υπόψη τις απαιτήσεις της αγοράς, τον Φεβρουάριο του 1982, η Intel κυκλοφόρησε το i80286. Εμφανίστηκε ταυτόχρονα με Υπολογιστής IBM PCAT. Μαζί με την αύξηση της απόδοσης, είχε προστατευμένη λειτουργία (χρησιμοποιούσε μια πιο εξελιγμένη τεχνική διαχείρισης μνήμης). Η Προστατευμένη λειτουργία επέτρεψε σε προγράμματα όπως τα Windows 3.0 και OS/2 να λειτουργούν με μνήμη RAM άνω του 1 MB. Χάρη στα δεδομένα 16 bit στο νέο δίαυλο συστήματος, μπορούν να ανταλλάσσονται μηνύματα 2 byte με το PU. Ο νέος μικροεπεξεργαστής κατέστησε δυνατή την πρόσβαση σε 16 MB μνήμης RAM σε προστατευμένη λειτουργία. Ο επεξεργαστής i80286 ήταν ο πρώτος που εφάρμοσε πολλαπλές εργασίες και έλεγχο σε επίπεδο chip εικονική μνήμη. Με συχνότητα ρολογιού 8 MHz, επιτεύχθηκε απόδοση 1,2 Mips.

1 Ανάπτυξη μικροεπεξεργαστών

Οι υπολογιστές χρησιμοποιούνται ευρέως από τη δεκαετία του 1950. Προηγουμένως, αυτές ήταν πολύ μεγάλες και ακριβές συσκευές που χρησιμοποιούνταν μόνο σε κρατικές υπηρεσίες και μεγάλες εταιρείες. Το μέγεθος και το σχήμα των ψηφιακών υπολογιστών έχουν αλλάξει πέρα ​​από την αναγνώριση ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης νέων συσκευών που ονομάζονται μικροεπεξεργαστές.

Ένας μικροεπεξεργαστής (MP) είναι ένα ηλεκτρονικό ελεγχόμενο από πρόγραμμα ψηφιακή συσκευή, σχεδιασμένο για την επεξεργασία ψηφιακών πληροφοριών και τον έλεγχο της διαδικασίας αυτής της επεξεργασίας, που εκτελείται σε ένα ή περισσότερα ολοκληρωμένα κυκλώματα με υψηλό βαθμόενσωμάτωση ηλεκτρονικών στοιχείων.

Το 1970, ο Marshian Edward Hoff της Intel σχεδίασε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα παρόμοιο σε λειτουργία με την κεντρική μονάδα επεξεργασίας ενός mainframe υπολογιστή - το πρώτο micro Επεξεργαστής Intel-4004, το οποίο κυκλοφόρησε προς πώληση ήδη το 1971.

Αυτή ήταν μια πραγματική ανακάλυψη, επειδή το Intel-4004 MP, μεγέθους μικρότερο από 3 cm, ήταν πιο παραγωγικό από το γιγάντιο μηχάνημα ENIAC. Είναι αλήθεια ότι λειτούργησε πολύ πιο αργά και μπορούσε να επεξεργαστεί μόνο 4 bit πληροφοριών ταυτόχρονα (οι μεγάλοι επεξεργαστές υπολογιστών επεξεργάζονταν 16 ή 32 bit ταυτόχρονα), αλλά το πρώτο MP ήταν δεκάδες χιλιάδες φορές φθηνότερο.

Ο κρύσταλλος ήταν επεξεργαστής 4-bit με κλασική αρχιτεκτονική υπολογιστή τύπου Χάρβαρντ και κατασκευάστηκε με χρήση προηγμένης τεχνολογίας P-channel MOS με πρότυπο σχεδιασμού 10 μm. Διάγραμμα συνδεσμολογίαςσυσκευή αποτελούνταν από 2300 τρανζίστορ. Το MP λειτουργούσε σε συχνότητα ρολογιού 750 kHz με διάρκεια κύκλου εντολών 10,8 μs. Το τσιπ i4004 είχε μια στοίβα διευθύνσεων (έναν μετρητή προγράμματος και τρεις καταχωρητές στοίβας τύπου LIFO), ένα μπλοκ RON (εγγραφές πάνω από μνήμη τυχαίας προσπέλασηςή αρχείο μητρώου - RF), μια παράλληλη ALU 4-bit, ένας συσσωρευτής, ένας καταχωρητής εντολών με έναν αποκωδικοποιητή εντολών και ένα κύκλωμα ελέγχου, καθώς και ένα κύκλωμα επικοινωνίας με εξωτερικές συσκευές. Όλοι αυτοί οι λειτουργικοί κόμβοι συνδυάστηκαν μεταξύ τους από ένα SD 4-bit. Η μνήμη εντολών έφτασε τα 4 KB (για σύγκριση: το μέγεθος μνήμης ενός μικροϋπολογιστή στις αρχές της δεκαετίας του '70 σπάνια ξεπερνούσε τα 16 KB) και η CPU RF είχε 16 καταχωρητές 4 bit που μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως καταχωρητές 8 8 bit. Μια τέτοια οργάνωση RON διατηρείται επίσης σε επόμενους βουλευτές από την Intel. Τρεις καταχωρητές στοίβας παρείχαν τρία επίπεδα ένθεσης υπορουτίνας. Το i4004 MP τοποθετήθηκε σε πλαστική ή κεραμική-μεταλλική συσκευασία DIP (Dual In-line Package) με μόνο 16 ακίδες. Το σύστημα εντολών του περιελάμβανε μόνο 46 οδηγίες.

Ταυτόχρονα, ο κρύσταλλος είχε πολύ περιορισμένες δυνατότητες εισόδου/εξόδου και δεν υπήρχαν λογικές λειτουργίες επεξεργασίας δεδομένων (AND, OR, EXCLUSIVE OR) στο σύστημα εντολών και ως εκ τούτου έπρεπε να υλοποιηθούν χρησιμοποιώντας ειδικές υπορουτίνες. Η μονάδα i4004 δεν είχε τη δυνατότητα να σταματήσει (εντολές HALT) και να χειριστεί διακοπές.

Ο κύκλος εντολών του επεξεργαστή αποτελούνταν από 8 κύκλους του κύριου ταλαντωτή. Υπήρχε ένας πολυπλεξικός δίαυλος SHA (δίαυλος διεύθυνσης) / SHD (διαύλου δεδομένων), μια διεύθυνση 12-bit μεταδόθηκε σε 4 bit.

Την 1η Απριλίου 1972, η Intel άρχισε να αποστέλλει το πρώτο 8-bit i8008 της βιομηχανίας. Ο κρύσταλλος κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τεχνολογία p-channel MOS με πρότυπα σχεδίασης 10 μm και περιείχε 3500 τρανζίστορ. Ο επεξεργαστής λειτουργούσε σε συχνότητα 500 kHz με διάρκεια κύκλου μηχανής 20 μs (10 περίοδοι του κύριου ταλαντωτή).

Σε αντίθεση με τους προκατόχους του, το MP είχε αρχιτεκτονική υπολογιστή τύπου Princeton και επέτρεπε τη χρήση ενός συνδυασμού ROM και RAM ως μνήμη.

Σε σύγκριση με το i4004, ο αριθμός των RON μειώθηκε από 16 σε 8 και δύο καταχωρητές χρησιμοποιήθηκαν για την αποθήκευση της διεύθυνσης με έμμεση διευθυνσιοδότηση μνήμης (περιορισμός τεχνολογίας - το μπλοκ RON, παρόμοιο με τους κρυστάλλους 4004 και 4040 στο MP 8008, εφαρμόστηκε στη μορφή δυναμική μνήμη). Η διάρκεια του κύκλου της μηχανής μειώθηκε σχεδόν στο μισό (από 8 σε 5 καταστάσεις). Για να συγχρονίσετε την εργασία με αργές συσκευές, εισήχθη το σήμα READY.

Το σύστημα εντολών αποτελούνταν από 65 εντολές. Το MP θα μπορούσε να διευθύνει 16K byte μνήμης. Η απόδοσή του σε σύγκριση με το MP τεσσάρων bit αυξήθηκε κατά 2,3 φορές. Κατά μέσο όρο, χρειάστηκαν περίπου 20 μεσαία ολοκληρωμένα κυκλώματα για τη διασύνδεση του επεξεργαστή με τη μνήμη και τις συσκευές I/O.

Οι δυνατότητες της τεχνολογίας p-channel για τη δημιουργία πολύπλοκων MT υψηλής απόδοσης είχαν σχεδόν εξαντληθεί, οπότε η «κατεύθυνση του κύριου χτυπήματος» μεταφέρθηκε στην τεχνολογία MOS n καναλιών.

Την 1η Απριλίου 1974, το Intel 8080 MP παρουσιάστηκε στην προσοχή όλων των ενδιαφερομένων. Χάρη στη χρήση της τεχνολογίας p-MOS με πρότυπα σχεδιασμού 6 microns, τοποθετήθηκαν 6 χιλιάδες τρανζίστορ στο τσιπ. Η συχνότητα ρολογιού του επεξεργαστή αυξήθηκε στα 2 MHz και η διάρκεια του κύκλου εντολών ήταν ήδη 2 μs. Η ποσότητα της μνήμης που απευθύνεται από τον επεξεργαστή έχει αυξηθεί στα 64 KB.

Λόγω της χρήσης ενός πακέτου 40 ακίδων, ήταν δυνατός ο διαχωρισμός SHA και SD, συνολικός αριθμόςΤα τσιπ που απαιτούνται για την κατασκευή του συστήματος στην ελάχιστη διαμόρφωση μειώθηκαν σε 6.

Στη Ρωσική Ομοσπονδία, εισήχθη ένας δείκτης στοίβας, ο οποίος χρησιμοποιείται ενεργά στην επεξεργασία διακοπών, καθώς και δύο μη προσβάσιμοι από το πρόγραμμα καταχωρητές για εσωτερικές μεταφορές. Το μπλοκ RON υλοποιήθηκε σε τσιπ στατικής μνήμης. Ο αποκλεισμός της μπαταρίας από την RF και η εισαγωγή της στην ALU απλοποίησε το σύστημα ελέγχου εσωτερικού διαύλου.

Νέο στην αρχιτεκτονική MP - χρήση πολυεπίπεδο σύστημαδιανυσματικές διακοπές. Τέτοιος τεχνική λύσηεπιτρεπόταν να ανέλθει ο συνολικός αριθμός πηγών διακοπής σε 256 (πριν από την εμφάνιση των ελεγκτών διακοπής LSI, το σχήμα δημιουργίας διανυσμάτων διακοπής απαιτούσε τη χρήση έως και 10 πρόσθετων τσιπ μεσαίας ολοκλήρωσης). Το i8080 εισήγαγε έναν μηχανισμό άμεσης πρόσβασης στη μνήμη (DMA) (όπως παλαιότερα στους μεγάλους υπολογιστές IBM System 360, κ.λπ.).

Το PDP άνοιξε το πράσινο φως για τη χρήση σε μικροϋπολογιστές τέτοιων πολύπλοκων συσκευών όπως μαγνητικές μονάδες δίσκου και ταινίες, οθόνες CRT, οι οποίες μετέτρεψαν τον μικροϋπολογιστή σε ένα πλήρες υπολογιστικό σύστημα.

Η παράδοση της εταιρείας, ξεκινώντας από το πρώτο τσιπ, ήταν η κυκλοφορία όχι ενός τσιπ CPU, αλλά μιας οικογένειας LSI σχεδιασμένων για κοινή χρήση.

Οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές είναι κατασκευασμένοι σε αρχιτεκτονική 32 bit x86 ή IA-32 (Intel Architecture 32 bit), αλλά πολύ σύντομα θα υπάρξει μετάβαση σε μια πιο προηγμένη, παραγωγική αρχιτεκτονική 64 bit IA-64 (Intel Architecture 64 bit). Στην πραγματικότητα, η μετάβαση έχει ήδη ξεκινήσει, αυτό αποδεικνύεται από τη μαζική παραγωγή και πώληση το 2003 του νέου μικροεπεξεργαστή Athlon 64 από την AMD Corporation (Advanced Micro Devices), αυτός ο μικροεπεξεργαστής είναι αξιοσημείωτος στο ότι μπορεί να λειτουργήσει και με τις δύο εφαρμογές 32 bit και εφαρμογές 64 bit. Η απόδοση των μικροεπεξεργαστών 64 bit είναι πολύ υψηλότερη.

2 μικροεπεξεργαστές i80386

Τον Οκτώβριο του 1985, η Intel ανακοίνωσε τον πρώτο μικροεπεξεργαστή 32 bit, τον i80386. Ο πρώτος υπολογιστής που χρησιμοποίησε αυτόν τον μικροεπεξεργαστή ήταν ο CompaqDeskPro 386. Η πλήρης αρχιτεκτονική 32-bit στον νέο μικροεπεξεργαστή συμπληρώθηκε από έναν προηγμένο διαχειριστή μνήμης, ο οποίος, εκτός από τη μονάδα τμηματοποίησης, συμπληρώθηκε από μια μονάδα ελέγχου σελίδας. Αυτή η συσκευή σάς επιτρέπει να αναδιατάσσετε εύκολα τμήματα από τη μια θέση μνήμης στην άλλη. Σε συχνότητα ρολογιού 16 MHz, η απόδοση ήταν 6 Mips. Οι γραμμές 32 διευθύνσεων κατέστησαν δυνατή τη φυσική αντιμετώπιση 4 Gb μνήμης, επιπλέον, εισήχθη μια νέα λειτουργία διαχείρισης εικονικής μνήμης V86. Σε αυτήν τη λειτουργία, πολλές εργασίες i8086 μπορούσαν να εκτελεστούν ταυτόχρονα.

Ο μικροεπεξεργαστής i80386, κατασκευασμένος σε 1 τσιπ με συμεπεξεργαστή, ονομαζόταν i80386DX. Ένα φθηνότερο μοντέλο του μικροεπεξεργαστή 32 bit εμφανίστηκε μόλις τον Ιούλιο του 1988 (i80386SX). Ο νέος μικροεπεξεργαστής χρησιμοποίησε έναν δίαυλο δεδομένων 16-bit και έναν δίαυλο διευθύνσεων 24-bit. Αυτό ήταν ιδιαίτερα βολικό για το τυπικό IBM PC AT. Το λογισμικό που γράφτηκε για το i80386DX έτρεχε στο i80386DX. Τα εσωτερικά μητρώα ήταν πανομοιότυπα. Ο δείκτης SX προέρχεται από τη λέξη "δεκαέξι" (διαύλου δεδομένων 16 bit). Για το i486 SX σημαίνει ότι δεν υπάρχει συμεπεξεργαστής. Στην φθινοπωρινή έκθεση του 1989, η Intel ανακοίνωσε το i80486DX, το οποίο περιείχε 1,2 εκατομμύρια τρανζίστορ σε ένα μόνο τσιπ και ήταν πλήρως συμβατό με άλλους 86 επεξεργαστές. Νέα μικροκυκλώματα για πρώτη φορά συνδύασαν σε 1 τσιπ την CPU, τον συμεπεξεργαστή και τη μνήμη cache. Χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική διοχέτευσης που είναι εγγενής στους επεξεργαστές RISC, επιτρέποντας την επίτευξη 4 φορές μεγαλύτερης απόδοσης από τα συμβατικά συστήματα 32 bit. 8 KB ενσωματωμένης μνήμης cache επιτάχυνε την εκτέλεση με ενδιάμεση αποθήκευση εντολών και δεδομένων που χρησιμοποιούνται συχνά. Σε συχνότητα ρολογιού 25 MHz, ο μικροεπεξεργαστής είχε απόδοση 16,5 Mips. Δημιουργήθηκε τον Ιανουάριο του 1991. η έκδοση 50 MHz του μικροεπεξεργαστή επέτρεψε μια επιπλέον αύξηση της απόδοσης κατά 50%. Ο ενσωματωμένος συνεπεξεργαστής επιτάχυνε σημαντικά τους μαθηματικούς υπολογισμούς, αλλά αργότερα έγινε σαφές ότι μόνο το 30% των χρηστών χρειαζόταν έναν τέτοιο μικροεπεξεργαστή.

Χρησιμοποιείτε υπολογιστή ή κινητή συσκευήγια να διαβάσετε αυτό το θέμα τώρα. Ο υπολογιστής ή η φορητή συσκευή χρησιμοποιεί έναν μικροεπεξεργαστή για την εκτέλεση αυτών των ενεργειών. Ο μικροεπεξεργαστής είναι η καρδιά οποιασδήποτε συσκευής, διακομιστή ή φορητού υπολογιστή. Υπάρχουν πολλές μάρκες μικροεπεξεργαστών από τις περισσότερες διαφορετικών κατασκευαστών, αλλά όλοι κάνουν περίπου το ίδιο πράγμα και με τον ίδιο περίπου τρόπο.
Μικροεπεξεργαστής- γνωστός και ως επεξεργαστής ή κεντρική μονάδα επεξεργασίας, είναι μια μηχανή υπολογιστών που κατασκευάζεται σε ένα μόνο τσιπ. Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής ήταν ο Intel 4004, ο οποίος εμφανίστηκε το 1971 και δεν ήταν τόσο ισχυρός. Μπορούσε να προσθέτει και να αφαιρεί, και αυτό είναι μόνο 4 bit τη φορά. Ο επεξεργαστής ήταν καταπληκτικός γιατί ήταν κατασκευασμένος σε ένα μόνο τσιπ. Θα ρωτήσετε γιατί; Και θα απαντήσω: οι μηχανικοί εκείνη την εποχή παρήγαγαν επεξεργαστές είτε από πολλά τσιπ είτε από διακριτά εξαρτήματα (τα τρανζίστορ χρησιμοποιούνταν σε ξεχωριστά πακέτα).

Εάν έχετε αναρωτηθεί ποτέ τι κάνει ένας μικροεπεξεργαστής σε έναν υπολογιστή, πώς μοιάζει ή πώς διαφέρει από άλλους τύπους μικροεπεξεργαστών, τότε πηγαίνετε κάτω από γάτα- υπάρχουν όλα τα πιο ενδιαφέροντα και λεπτομέρειες.

Πρόοδος μικροεπεξεργαστή: Intel

Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής, που αργότερα έγινε η καρδιά ενός απλού οικιακός υπολογιστής, ήταν ο Intel 8080, ένας πλήρης υπολογιστής 8-bit σε ένα μόνο τσιπ, που παρουσιάστηκε το 1974. Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής προκάλεσε πραγματικό κύμα στην αγορά. Αργότερα το 1979 κυκλοφόρησε νέο μοντέλο- Intel 8088. Εάν είστε εξοικειωμένοι με την αγορά των υπολογιστών και την ιστορία της, τότε γνωρίζετε ότι η αγορά των υπολογιστών μετακινήθηκε από την Intel 8088 στην Intel 80286 και μετά στην Intel 80386 και την Intel 80486 και στη συνέχεια στην Pentium, Pentium II, Pentium III και Pentium 4 Όλοι αυτοί οι μικροεπεξεργαστές κατασκευάζονται από την Intel και είναι όλες βελτιώσεις στη βασική σχεδίαση του Intel 8088. Το Pentium 4 μπορεί να εκτελέσει οποιονδήποτε κώδικα, αλλά το κάνει 5.000 φορές πιο γρήγορα.

Το 2004 έτος Intelεισήγαγε μικροεπεξεργαστές με πολλαπλούς πυρήνες και εκατομμύρια τρανζίστορ, αλλά ακόμη και αυτοί οι μικροεπεξεργαστές ακολούθησαν γενικοί κανόνες, όπως τα τσιπ που κατασκευάζονταν στο παρελθόν. Επιπλέον πληροφορίεςστο τραπέζι:

• η ημερομηνία: είναι η χρονιά που παρουσιάστηκε για πρώτη φορά ο επεξεργαστής. Πολλοί επεξεργαστές επανακυκλοφόρησαν σε υψηλότερες ταχύτητες ρολογιού και αυτό συνεχίστηκε για πολλά χρόνια μετά την αρχική ημερομηνία κυκλοφορίας.
• τρανζίστορ: είναι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα τσιπ. Μπορείτε να δείτε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα μόνο τσιπ αυξάνεται σταθερά με τα χρόνια.
• Μικρόν: πλάτος σε μικρά του μικρότερου καλωδίου στο τσιπ. Για σύγκριση, μπορώ να δώσω μια ανθρώπινη τρίχα, η οποία έχει πάχος περίπου 100 μικρά. Καθώς τα μεγέθη γίνονταν όλο και μικρότερα, ο αριθμός των τρανζίστορ αυξήθηκε.
• Συχνότητα ρολογιού: μέγιστη ταχύτηταότι το τσιπ μπορεί να αναπτυχθεί. Για τη συχνότητα του ρολογιού θα μιλήσω λίγο αργότερα.
• Δεδομένα πλάτους (διαύλου).: είναι το πλάτος της ALU (Arithmetic Logic Unit). Μια ALU 8-bit μπορεί να προσθέσει, να αφαιρέσει, να πολλαπλασιάσει κ.λπ. Σε πολλές περιπτώσεις, ο δίαυλος δεδομένων έχει το ίδιο πλάτος με το ALU, αλλά όχι πάντα. Ο Intel 8088 ήταν 16-bit και είχε δίαυλο 8-bit, ενώ τα τρέχοντα μοντέλα Pentium είναι 64-bit.
• MIPS: αυτή η στήλη στον πίνακα εμφανίζει τον αριθμό των πράξεων ανά δευτερόλεπτο. Είναι μονάδα μέτρησης για μικροεπεξεργαστές. Σύγχρονοι επεξεργαστέςμπορούν να κάνουν τόσα πολλά πράγματα που οι σημερινές βαθμολογίες που παρουσιάζονται στον πίνακα θα χάσουν κάθε νόημα. Μπορείς όμως να νιώσεις τη σχετική δύναμη των μικροεπεξεργαστών εκείνης της εποχής

Αυτός ο πίνακας δείχνει ότι, γενικά, υπάρχει σχέση μεταξύ της ταχύτητας του ρολογιού και του MIPS (λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο). Η μέγιστη συχνότητα ρολογιού είναι συνάρτηση επεξεργαστή παραγωγής. Υπάρχει επίσης μια σχέση μεταξύ του αριθμού των τρανζίστορ και του αριθμού των λειτουργιών ανά δευτερόλεπτο. Για παράδειγμα, ένας Intel 8088 χρονισμένος στα 5 MHz (επί του παρόντος 2,5-3 GHz) εκτελεί μόνο 0,33 MIPS (περίπου μία εντολή για κάθε 15 κύκλους ρολογιού). Οι σύγχρονοι επεξεργαστές μπορούν συχνά να εκτελέσουν δύο εντολές ανά ρολόι. Αυτή η αύξηση σχετίζεται άμεσα με τον αριθμό των τρανζίστορ στο τσιπ, και θα μιλήσω για αυτό αργότερα.

Τι είναι ένα τσιπ;

Το τσιπ ονομάζεται επίσης ολοκληρωμένο κύκλωμα. Αυτό είναι συνήθως ένα μικρό, λεπτό κομμάτι πυριτίου στο οποίο έχουν χαραχθεί τα τρανζίστορ που αποτελούν τον μικροεπεξεργαστή. Ένα τσιπ μπορεί να είναι τόσο μικρό όσο μια ίντσα, αλλά εξακολουθεί να περιέχει δεκάδες εκατομμύρια τρανζίστορ. Οι απλούστεροι επεξεργαστές μπορεί να αποτελούνται από αρκετές χιλιάδες τρανζίστορ χαραγμένα σε ένα τσιπ λίγων τετραγωνικών χιλιοστών.

Πως δουλεύει

Intel Pentium 4

Για να κατανοήσετε πώς λειτουργεί ένας μικροεπεξεργαστής, θα ήταν χρήσιμο να κοιτάξετε μέσα και να μάθετε για το εσωτερικό του. Στη διαδικασία, μπορείτε επίσης να μάθετε για τη γλώσσα συναρμολόγησης, τη μητρική γλώσσα του μικροεπεξεργαστή και πολλά πράγματα που μπορούν να κάνουν οι μηχανικοί για να αυξήσουν την ταχύτητα ενός επεξεργαστή.

Ο μικροεπεξεργαστής εκτελεί μια συλλογή από οδηγίες μηχανής που λένε στον επεξεργαστή τι να κάνει. Με βάση τις οδηγίες, ο μικροεπεξεργαστής κάνει τρία κύρια πράγματα:

• Χρησιμοποιώντας την ALU (αριθμητική λογική μονάδα), ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να εκτελέσει μαθηματικές πράξεις. Για παράδειγμα, πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός και διαίρεση. Οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές είναι ικανοί να εκτελούν εξαιρετικά πολύπλοκες λειτουργίες.
• Ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να μετακινήσει δεδομένα από μια θέση μνήμης σε άλλη
• Ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να λάβει αποφάσεις και να μεταβεί σε ένα νέο σύνολο εντολών με βάση αυτές τις αποφάσεις.

Για να το πω ωμά, ο μικροεπεξεργαστής κάνει πολύπλοκα πράγματα, αλλά παραπάνω περιέγραψα τρεις κύριες δραστηριότητες. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει έναν πολύ απλό μικροεπεξεργαστή ικανό να κάνει αυτά τα τρία πράγματα. Αυτός ο μικροεπεξεργαστής έχει:

• Δίαυλος διευθύνσεων (8, 16 ή 32 bit) που στέλνει πρόσβαση στη μνήμη
• Δίαυλος δεδομένων (8, 16 ή 32 bit) που στέλνει δεδομένα στη μνήμη ή λαμβάνει δεδομένα από τη μνήμη
• Τα RD (ανάγνωση, ανάγνωση) και WR (εγγραφή, εγγραφή) λένε στη μνήμη εάν θέλουν να ορίσουν ή να λάβουν τη διεύθυνση διεύθυνσης
• Γραμμή ρολογιού που σας επιτρέπει να δείτε τη σειρά ρολογιού του επεξεργαστή
• Γραμμή επαναφοράς που μηδενίζει τον μετρητή προγράμματος και επανεκκινεί την εκτέλεση

μνήμη μικροεπεξεργαστή

Νωρίτερα μιλήσαμε για διαύλους διευθύνσεων και δεδομένων, καθώς και για γραμμές ανάγνωσης και εγγραφής. Όλα αυτά συνδέονται είτε με RAM (Μνήμη τυχαίας πρόσβασης) είτε με ROM (μνήμη μόνο για ανάγνωση ή μνήμη μόνο για ανάγνωση, ROM) - συνήθως και τα δύο. Στο παράδειγμα μικροεπεξεργαστή μας, έχουμε έναν ευρύ δίαυλο διευθύνσεων 8 bit και τον ίδιο μεγάλο δίαυλο δεδομένων - επίσης 8 bit. Αυτό σημαίνει ότι ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να έχει πρόσβαση σε 2^8 έως 256 byte μνήμης και μπορεί να διαβάζει και να γράφει 8 bit μνήμης κάθε φορά. Ας υποθέσουμε ότι αυτός ο απλός μικροεπεξεργαστής έχει 128 byte εσωτερικής μνήμης που ξεκινούν από τη διεύθυνση 0 και 128 byte μνήμης RAM ξεκινώντας από τη διεύθυνση 128.

Η RAM σημαίνει μνήμη μόνο για ανάγνωση. Πατατακι μόνιμη μνήμηπρογραμματισμένο με μόνιμα προκαθορισμένα byte. Η διεύθυνση του διαύλου λέει στο τσιπ RAM ποιο byte να φτάσει και να χωρέσει στο δίαυλο δεδομένων. Όταν η γραμμή ανάγνωσης αλλάζει κατάσταση, το τσιπ ROM παρουσιάζει το επιλεγμένο byte στο δίαυλο δεδομένων.

Η RAM σημαίνει RAM, lol. Η μνήμη RAM περιέχει ένα byte πληροφοριών και ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να διαβάσει ή να γράψει σε αυτά τα byte ανάλογα με το αν η γραμμή ανάγνωσης ή εγγραφής σηματοδοτεί. Ένα από τα προβλήματα που μπορούν να βρεθούν στις σημερινές μάρκες είναι ότι ξεχνούν τα πάντα μόλις φύγει η ενέργεια. Επομένως, ο υπολογιστής πρέπει να έχει μνήμη RAM.

Τσιπ RAM ή τσιπ μνήμης μόνο για ανάγνωση (ROM).

Παρεμπιπτόντως, σχεδόν όλοι οι υπολογιστές περιέχουν κάποια ποσότητα μνήμης RAM. Σε έναν προσωπικό υπολογιστή, η μνήμη μόνο για ανάγνωση ονομάζεται BIOS (Basic Input/Output System). Κατά την εκκίνηση, ο μικροεπεξεργαστής ξεκινά να εκτελεί τις οδηγίες που βρίσκει στο BIOS. Παρεμπιπτόντως, οι οδηγίες του BIOS εκτελούν επίσης τους ρόλους τους: πραγματοποιούν έλεγχο υλικού και, στη συνέχεια, όλες οι πληροφορίες πηγαίνουν στον σκληρό δίσκο για να δημιουργήσουν έναν τομέα εκκίνησης. Ο τομέας εκκίνησης είναι ένας μικρό πρόγραμμα, και το BIOS το διατηρεί στη μνήμη αφού το διαβάσει από το δίσκο. Στη συνέχεια, ο μικροεπεξεργαστής ξεκινά να εκτελεί εντολές τομέας εκκίνησηςαπό RAM. Το πρόγραμμα τομέα εκκίνησης θα πει στον μικροεπεξεργαστή τι άλλο να πάρει μαζί σας. σκληρός δίσκοςστη μνήμη RAM, και μετά τα κάνει όλα αυτά, και ούτω καθεξής. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο ο μικροεπεξεργαστής φορτώνει και εκτελεί ολόκληρο το λειτουργικό σύστημα.

οδηγίες μικροεπεξεργαστή

Ακόμη και ο απίστευτα απλός μικροεπεξεργαστής που μόλις περιέγραψα θα έχει ένα αρκετά μεγάλο σύνολο εντολών που μπορεί να εκτελέσει. Η συλλογή εντολών υλοποιείται ως μοτίβα bit, καθένα από τα οποία έχει διαφορετικό νόημα όταν φορτώνεται στον τομέα εντολών. Οι άνθρωποι δεν θυμούνται ιδιαίτερα καλά τα μοτίβα bit, καθώς είναι μια συλλογή από σύντομες λέξεις. Παρεμπιπτόντως, αυτό το σύνολο σύντομων λέξεων ονομάζεται γλώσσα συναρμολόγησης επεξεργαστή. Ο assembler μπορεί να μεταφράσει λέξεις σε ένα μοτίβο bit πολύ εύκολα και, στη συνέχεια, η προσπάθεια του assembler θα μπει στη μνήμη για να την εκτελέσει ο μικροεπεξεργαστής.

Ακολουθεί ένα σύνολο οδηγιών για τη γλώσσα assembly:

• LOADA mem- φόρτωση στο μητρώο με διεύθυνση μνήμης
• LOADB mem- φόρτωση στον καταχωρητή Β από τη διεύθυνση μνήμης
• CONB mem- φορτώστε μια σταθερή τιμή στον καταχωρητή Β
• μέλος SAVEB- αποθηκεύστε τον καταχωρητή Β στη διεύθυνση μνήμης
• Μέλος SAVEC- αποθηκεύστε τον καταχωρητή C στη διεύθυνση μνήμης
• ΠΡΟΣΘΗΚΗ- προσθέστε τα Α και Β και αποθηκεύστε το αποτέλεσμα στο Γ
• ΥΠΟ- αφαιρέστε τα Α και Β και αποθηκεύστε το αποτέλεσμα στο Γ
• MUL- πολλαπλασιάστε τα Α και Β και αποθηκεύστε το αποτέλεσμα στο Γ
• DIV- χωρίστε τα Α και Β και αποθηκεύστε το αποτέλεσμα στο C
• COM- συγκρίνετε τα Α και Β και αποθηκεύστε το αποτέλεσμα στη δοκιμή
• JUMP adr- μεταβείτε στη διεύθυνση
• JEQ διδ- άλμα αν ισούται προς επίλυση
• JNEQ πρόσθ- άλμα αν δεν είναι ίσο προς επίλυση
• JG adr- πηδήξτε αν περισσότερο, για να λύσετε
• JGE adr- άλμα εάν είναι μεγαλύτερο ή ίσο με για επίλυση
• JL adr- άλμα αν λιγότερα για επίλυση
• JLE διδ- άλμα εάν είναι μικρότερο ή ίσο με για επίλυση
• ΝΑ ΣΤΑΜΑΤΗΣΕΙ- διακοπή της εκτέλεσης

συμβολική γλώσσα
Ο μεταγλωττιστής C μεταφράζει αυτόν τον κώδικα C σε γλώσσα assembly. Υποθέτοντας ότι η κύρια μνήμη ξεκινά από τη διεύθυνση 128 σε αυτόν τον επεξεργαστή και η μνήμη μόνο για ανάγνωση (η οποία περιέχει το πρόγραμμα της γλώσσας συναρμολόγησης) ξεκινά από τη διεύθυνση 0, τότε για τον απλό μικροεπεξεργαστή μας, ο assembler μπορεί να μοιάζει με αυτό:

// Ας υποθέσουμε ότι το a είναι στη διεύθυνση 128 // Ας υποθέσουμε ότι το F είναι στη διεύθυνση 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // εάν a > 5 το άλμα στο 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ΠΡΟΣΘΗΚΗ 15 SAVEC 12816 αν επιστρέψετε στο JUMP

Μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM)
Τώρα λοιπόν το ερώτημα είναι, "Πώς ενσωματώνονται όλες αυτές οι οδηγίες με τη ROM;". Θα εξηγήσω, φυσικά: κάθε μία από αυτές τις οδηγίες γλώσσας συναρμολόγησης πρέπει να αντιπροσωπεύεται ως δυάδικος αριθμός. Για απλότητα, ας υποθέσουμε ότι κάθε οδηγία γλώσσας assembly εκχωρεί στον εαυτό της μοναδικός αριθμός. Για παράδειγμα, θα μοιάζει με αυτό:

• LOADA - 1
• LOADB - 2
• CONB - 3
• SAVEB - 4
• Μέλος SAVEC - 5
• ΠΡΟΣΘΗΚΗ - 6
• ΥΠΟ - 7
• MUL - 8
• DIV - 9
• COM - 10
• JUMP adr - 11
• JEQ διδ - 12
• JNEQ πρόσθ - 13
• JG adr - 14
• JGE adr - 15
• JL adr - 16
• JLE διδ - 17
• ΝΑ ΣΤΑΜΑΤΗΣΕΙ - 18

Αυτοί οι αριθμοί θα είναι γνωστοί ως κωδικοί λειτουργίας. Στη ROM, το μικρό μας πρόγραμμα θα μοιάζει με αυτό:

// Ας υποθέσουμε ότι το a βρίσκεται στη διεύθυνση 128 // Ας υποθέσουμε ότι το F βρίσκεται στη διεύθυνση 129Addr opcode/value0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 183 129 AD // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 1220 5 // SAVEC 1220 5 // SAVEC 1221 1 // 211 128 128 // 128 128 1221 1 // SAVEC 21 1 ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

Βλέπετε ότι 7 γραμμές κώδικα C έγιναν 18 γραμμές assembler και ότι όλες έγιναν 32 byte στη ROM.

Αποκρυπτογράφηση
Η εντολή αποκωδικοποίησης πρέπει να μετατρέψει κάθε έναν από τους κωδικούς επιλογής σε ένα σύνολο σημάτων που θα ελέγχουν διάφορα στοιχεία εντός του μικροεπεξεργαστή. Ας πάρουμε ως παράδειγμα τις οδηγίες ΠΡΟΣΘΗΚΗΣ και ας δούμε τι πρέπει να κάνει. Ετσι:

• 1. Στον πρώτο κύκλο, είναι απαραίτητο να φορτωθεί η ίδια η εντολή, επομένως ο αποκωδικοποιητής πρέπει: να ενεργοποιήσει την προσωρινή μνήμη για τον μετρητή προγράμματος με τρεις καταστάσεις, να ενεργοποιήσει τη γραμμή ανάγνωσης (RD), να ενεργοποιήσει τα δεδομένα στις τρεις καταστάσεις του buffer στον καταχωρητή εντολών
• 2. Στον δεύτερο κύκλο αποκωδικοποιείται η εντολή ADD. Εδώ πρέπει να κάνετε πολύ λίγα: ορίστε τη λειτουργία της αριθμητικής λογικής μονάδας (ALU) για να καταχωρήσετε το C
• 3. Κατά τη διάρκεια του τρίτου κύκλου, ο μετρητής προγράμματος αυξάνεται (θεωρητικά αυτό μπορεί να επικαλύπτεται στον δεύτερο κύκλο)

Κάθε εντολή μπορεί να αναλυθεί σε ένα σύνολο διαδοχικών πράξεων, όπως μόλις εξετάσαμε. Χειρίζονται τα στοιχεία του μικροεπεξεργαστή με τη σωστή σειρά. Ορισμένες οδηγίες, όπως η εντολή ADD, ενδέχεται να διαρκέσουν δύο ή τρεις κύκλους. Άλλοι μπορεί να πάρουν πέντε ή έξι μπάρες.

Ας φτάσουμε στο τέλος

Ο αριθμός των τρανζίστορ έχει τεράστιο αντίκτυπο στην απόδοση του επεξεργαστή. Όπως μπορείτε να δείτε παραπάνω, ένας τυπικός μικροεπεξεργαστής Intel 8088 θα μπορούσε να τρέξει 15 κύκλους. Όσο περισσότερα τρανζίστορ, τόσο υψηλότερη είναι η απόδοση - είναι απλό. Ένας μεγάλος αριθμός τρανζίστορ επιτρέπει επίσης τεχνολογία όπως η διοχέτευση.

Η αρχιτεκτονική του αγωγού αποτελείται από την εκτέλεση εντολών. Μπορεί να χρειαστούν πέντε κύκλοι για την εκτέλεση μιας εντολής, αλλά δεν μπορούν να υπάρχουν πέντε εντολές σε διαφορετικά στάδια εκτέλεσης ταυτόχρονα. Φαίνεται λοιπόν ότι μια εντολή ολοκληρώνει κάθε κύκλο ρολογιού.

Όλες αυτές οι τάσεις επιτρέπουν στον αριθμό των τρανζίστορ να αυξάνεται, με αποτέλεσμα τα τρανζίστορ βαρέων βαρών πολλών εκατομμυρίων δολαρίων που είναι διαθέσιμα σήμερα. Τέτοιοι επεξεργαστές μπορούν να εκτελούν περίπου ένα δισεκατομμύριο λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο - φανταστείτε. Παρεμπιπτόντως, τώρα πολλοί κατασκευαστές έχουν αρχίσει να ενδιαφέρονται για την κυκλοφορία 64-bit επεξεργαστές για κινητάκαι προφανώς έρχεται άλλο ένα κύμα, μόνο που αυτή τη φορά η αρχιτεκτονική των 64 bit είναι ο βασιλιάς της μόδας. Ίσως μπω σε αυτό το θέμα στο εγγύς μέλλον και σας πω πώς λειτουργεί πραγματικά. Σε αυτό, ίσως, τα πάντα για σήμερα. Ελπίζω να σας άρεσε και να μάθατε πολλά.

Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής δημιουργήθηκε το 1971, και μαζί του τελικά γεννήθηκε υπολογιστές τέταρτης γενιάς.

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ(CPU, κυριολεκτικά - η κεντρική μονάδα επεξεργασίας) - μια ηλεκτρονική μονάδα ή ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (μικροεπεξεργαστής) που εκτελεί οδηγίες μηχανής (κωδικός προγράμματος). Μερικές φορές αναφέρεται ως μικροεπεξεργαστής ή απλώς επεξεργαστής.

Τα κύρια χαρακτηριστικά της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας (CPU) είναι:ταχύτητα ρολογιού, απόδοση, κατανάλωση ενέργειας και αρχιτεκτονική.

Οι πρώτες CPU σχεδιάστηκαν ως μοναδικά δομικά στοιχεία για μοναδικά, ακόμη και μοναδικά, συστήματα υπολογιστών. Αργότερα, από τον ακριβό τρόπο ανάπτυξης επεξεργαστών που έχουν σχεδιαστεί για να εκτελούν έναν το μόνο πρόγραμμα, οι κατασκευαστές υπολογιστών στράφηκαν στη σειριακή παραγωγή τυπικών κατηγοριών επεξεργαστών.

Η δημιουργία μικροκυκλωμάτων επέτρεψε περαιτέρω αύξηση της πολυπλοκότητας της CPU μειώνοντας ταυτόχρονα το φυσικό τους μέγεθος.

Η Intel το 1971 δημιούργησε τον πρώτο στον κόσμο μικροεπεξεργαστή 4-bit 4004σχεδιασμένο για χρήση σε αριθμομηχανές.



Αργότερα άλλαξε 8-bit Intel 8080και 16-bit 8086, που έθεσε τα θεμέλια για την αρχιτεκτονική όλων των σύγχρονων επιτραπέζιων υπολογιστών.




Μετά ακολούθησε η τροποποίησή του, 80186 .
ΣΤΟ επεξεργαστής 80286εμφανίστηκε μια προστατευμένη λειτουργία, η οποία επέτρεπε τη χρήση έως και 16 MB μνήμης.

Ο επεξεργαστής Intel 80386 εμφανίστηκε το 1985και εισήγαγε μια βελτιωμένη προστατευμένη λειτουργία, επέτρεψε τη χρήση έως και 4 GB μνήμης RAM.



Intel486(επίσης γνωστός ως i486, Intel 80486 ή απλά 486th) μικροεπεξεργαστής τέταρτης γενιάς συμβατός με x86 που βασίζεται σε υβριδικό πυρήνα και κυκλοφόρησε από την Intel στις 10 Απριλίου 1989.

Αυτός ο μικροεπεξεργαστής είναι μια βελτιωμένη έκδοση του μικροεπεξεργαστή 80386. Παρουσιάστηκε για πρώτη φορά σε μια έκθεση το φθινόπωρο του 1989.

Ήταν ο πρώτος μικροεπεξεργαστής με ενσωματωμένο μαθηματικός συνεπεξεργαστής(FPU). Χρησιμοποιήθηκε κυρίως σε επιτραπέζιους υπολογιστές, σε διακομιστές και φορητούς υπολογιστές (λάπτοπ και φορητούς υπολογιστές).



Σε προσωπικούς υπολογιστές άρχισαν να χρησιμοποιούνται επεξεργαστές αρχιτεκτονικής x86.

Σταδιακά, σχεδόν όλοι οι επεξεργαστές άρχισαν να παράγονται σε μορφή μικροεπεξεργαστή.

Μικροεπεξεργαστής Intel Pentiumπαρουσιάστηκε στις 22 Μαρτίου 1993.
Η νέα αρχιτεκτονική του επεξεργαστή επέτρεψε την αύξηση της απόδοσης κατά 5 φορές σε σύγκριση με τον 486DX των 33 MHz.

Ο αριθμός των τρανζίστορ είναι 3,1 εκατομμύρια.
Βύσμα 237/238 πόδια.

Ακολούθησαν (από την Intel) επεξεργαστές 64-bit:
Itanium, Itanium 2, Pentium 4F, Pentium D, Xeon, Intel Core 2, Pentium Dual Core, Celeron Dual Core, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel XeonΕ3...

Πολυπύρηνες επεξεργαστές περιέχει πολλούς πυρήνες επεξεργαστή σε μία συσκευασία (σε ένα ή περισσότερα τσιπ).

Ο πρώτος πολυπύρηνος μικροεπεξεργαστής ήταν ο POWER4 της IBM, ο οποίος εμφανίστηκε το 2001 και είχε δύο πυρήνες. Στις 14 Νοεμβρίου 2005, η Sun κυκλοφόρησε οκταπύρηνο UltraSPARC T1.

Η AMD ακολούθησε τον δικό της δρόμο, κατασκευάζοντας το 2007 τετραπύρηνος επεξεργαστής σε ένα μόνο τσιπ.

Οι επεξεργαστές με 2, 3, 4 και 6 πυρήνες, καθώς και επεξεργαστές 2, 3 και 4 μονάδων έχουν γίνει μαζικά διαθέσιμοι Επεξεργαστές AMDΓενιές μπουλντόζας.

Οι επεξεργαστές Xeon και Nehalem (Intel) 8 πυρήνων και Opteron (AMD) 8 πυρήνων είναι επίσης διαθέσιμοι για διακομιστές.

Για ψύκτρααπό μικροεπεξεργαστές, χρησιμοποιούνται παθητικά καλοριφέρ και ενεργοί ψύκτες.

Intel Core i7- Οικογένεια επεξεργαστών x86-64 Intel.
Συσκευή ενός τσιπ:Όλοι οι πυρήνες, ο ελεγκτής μνήμης και η κρυφή μνήμη βρίσκονται στο ίδιο τσιπ.
Υποστήριξη ώθηση τούρμπο, με το οποίο ο επεξεργαστής αυξάνει αυτόματα την απόδοση όταν χρειάζεται.


Το προστατευτικό κάλυμμα των επεξεργαστών είναι από επινικελωμένο χαλκό, το υπόστρωμα από πυρίτιο και οι επαφές από επιχρυσωμένο χαλκό.
Η ελάχιστη και η μέγιστη θερμοκρασία αποθήκευσης για τον Core i7 είναι -55°C και 125°C, αντίστοιχα.
Μέγιστη απαγωγή θερμότητας Βασικοί επεξεργαστέςΤο i7 είναι 130 Watt.

Ο Intel Core i7 3820 είναι εξοπλισμένος με τέσσερις φυσικούς και οκτώ εικονικούς πυρήνες επεξεργαστή, η ονομαστική συχνότητα ρολογιού των οποίων είναι 3,6 GHz και η δυναμική συχνότητα είναι 3,8 GHz, καθώς και δέκα megabyte μνήμης cache. Ημερομηνία εισόδου στην αγορά - 2012.

Σύγχρονοι υπολογιστέςμικρού μεγέθους, βολικό, έχουν υψηλή ταχύτητα επεξεργασίας πληροφοριών, μεγάλη ποσότητα λειτουργικής και φυσικής μνήμης.



Μπορούν να βρεθούν σύγχρονοι επεξεργαστέςόχι μόνο στους υπολογιστές, αλλά και στα αυτοκίνητα, κινητά τηλέφωνα, οικιακές συσκευές ακόμα και σε παιδικά παιχνίδια.

), που κυμαίνονται από τους πρώτους προσαρμογείς γραφικών MDA και CGA έως τις πιο πρόσφατες αρχιτεκτονικές AMD και NVIDIA. Τώρα είναι η σειρά να παρακολουθήσουμε την ανάπτυξη των κεντρικών μονάδων επεξεργασίας - ένα εξίσου σημαντικό στοιχείο κάθε υπολογιστή. Σε αυτό το μέρος του υλικού, θα μιλήσουμε για τη δεκαετία του 1970, και ως εκ τούτου, τις πρώτες λύσεις 4 και 8 bit.

Οι πρώτες CPU ήταν σαρανταποδαρούσες

Δεκαετίες 1940-1960

Πριν εμβαθύνουμε στην ιστορία της ανάπτυξης των κεντρικών μονάδων επεξεργασίας, είναι απαραίτητο να πούμε λίγα λόγια για την ανάπτυξη των υπολογιστών γενικότερα. Οι πρώτες CPU εμφανίστηκαν τη δεκαετία του 1940. Στη συνέχεια εργάστηκαν με τη βοήθεια ηλεκτρομηχανικών ρελέ και σωλήνων κενού και οι πυρήνες φερρίτη που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτούς χρησίμευαν ως συσκευές αποθήκευσης. Για τη λειτουργία ενός υπολογιστή που βασίζεται σε τέτοια μικροκυκλώματα, ήταν απαραίτητο μεγάλο ποσόεπεξεργαστές. Παρόμοιος υπολογιστήςΉταν ένα τεράστιο κτίριο στο μέγεθος ενός αρκετά μεγάλου δωματίου. Ταυτόχρονα, απελευθέρωσε μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας και η απόδοσή του άφησε πολλά περιζήτητα.

Υπολογιστής με χρήση ηλεκτρομηχανικών ρελέ

Ωστόσο, ήδη από τη δεκαετία του 1950, τα τρανζίστορ άρχισαν να χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό των επεξεργαστών. Χάρη στη χρήση τους, οι μηχανικοί κατάφεραν να επιτύχουν περισσότερα υψηλή ταχύτηταλειτουργία των τσιπ, καθώς και μείωση της κατανάλωσης ενέργειας τους, αλλά βελτίωση της αξιοπιστίας.

Στη δεκαετία του 1960 αναπτύχθηκε η τεχνολογία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, η οποία κατέστησε δυνατή τη δημιουργία μικροτσίπ με τρανζίστορ που βρίσκονται πάνω τους. Ο ίδιος ο επεξεργαστής αποτελούνταν από πολλά τέτοια κυκλώματα. Με τον καιρό, η τεχνολογία επέτρεψε την τοποθέτηση ολοένα και περισσότερων τρανζίστορ σε ένα τσιπ, και ως αποτέλεσμα, ο αριθμός των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται στην CPU έχει μειωθεί.

Ωστόσο, η αρχιτεκτονική του επεξεργαστή ήταν ακόμα πολύ, πολύ μακριά από αυτό που βλέπουμε σήμερα. Αλλά η κυκλοφορία το 1964 του IBM System / 360 έφερε τον σχεδιασμό των τότε υπολογιστών και CPU λίγο πιο κοντά στο σύγχρονο - κυρίως όσον αφορά την εργασία με λογισμικό. Το γεγονός είναι ότι πριν από την εμφάνιση αυτού του υπολογιστή, όλα τα συστήματα και οι επεξεργαστές λειτουργούσαν μόνο με το κώδικα προγράμματοςπου γράφτηκε ειδικά για αυτούς. Για πρώτη φορά, η IBM χρησιμοποίησε μια διαφορετική φιλοσοφία στους υπολογιστές της: ολόκληρη η σειρά CPU διαφορετικής απόδοσης υποστήριζε το ίδιο σύνολο οδηγιών, γεγονός που επέτρεπε τη σύνταξη λογισμικού που θα λειτουργούσε υπό οποιαδήποτε τροποποίηση του System / 360.

Υπολογιστής IBM System/360

Επιστρέφοντας στο θέμα της συμβατότητας System/360, πρέπει να τονιστεί ότι η IBM έχει δώσει μεγάλη προσοχή σε αυτήν την πτυχή. Για παράδειγμα, οι σύγχρονοι υπολογιστές zSeries εξακολουθούν να υποστηρίζουν λογισμικόγραμμένο για την πλατφόρμα System/360.

Μην ξεχνάτε την DEC (Digital Equipment Corporation), δηλαδή τη σειρά υπολογιστών της PDP (Programmed Data Processor). Η εταιρεία ιδρύθηκε το 1957 και το 1960 κυκλοφόρησε τον πρώτο της μικρό υπολογιστή PDP-1. Η συσκευή ήταν ένα σύστημα 18-bit και ήταν μικρότερο από τα mainframes της εποχής, καταλαμβάνοντας «μόνο» μια γωνία δωματίου. Στον υπολογιστή ενσωματώθηκε μια οθόνη CRT. Είναι ενδιαφέρον ότι το πρώτο στον κόσμο παιχνίδι υπολογιστήονομάζεται Spacewar! γράφτηκε ειδικά για την πλατφόρμα PDP-1. Το κόστος ενός υπολογιστή το 1960 ήταν 120.000 $, το οποίο ήταν πολύ χαμηλότερο από την τιμή άλλων κεντρικών υπολογιστών. Ωστόσο, το PDP-1 δεν ήταν πολύ δημοφιλές.

Υπολογιστής PDP-1

Η πρώτη εμπορικά επιτυχημένη συσκευή DEC ήταν ο υπολογιστής PDP-8, που κυκλοφόρησε το 1965. Σε αντίθεση με το PDP-1, νέο σύστημαήταν 12 bit. Το κόστος του PDP-8 ήταν 16 χιλιάδες δολάρια ΗΠΑ - ήταν ο φθηνότερος μικροϋπολογιστής εκείνης της εποχής. Χάρη σε μια τόσο χαμηλή τιμή, η συσκευή έγινε διαθέσιμη σε βιομηχανικές επιχειρήσεις και επιστημονικά εργαστήρια. Ως αποτέλεσμα, πουλήθηκαν περίπου 50 χιλιάδες τέτοιοι υπολογιστές. Ένα ξεχωριστό αρχιτεκτονικό χαρακτηριστικό του επεξεργαστή PDP-8 ήταν η απλότητά του. Έτσι, είχε μόνο τέσσερις καταχωρητές 12-bit που χρησιμοποιήθηκαν για εργασίες διάφοροι τύποι. Ταυτόχρονα, το PDP-8 περιείχε συνολικά 519 λογικές πύλες.

Υπολογιστής PDP-8. Καρέ από την ταινία "Three Days of the Condor"

Η αρχιτεκτονική των επεξεργαστών PDP επηρέασε άμεσα τον σχεδιασμό των επεξεργαστών 4 και 8 bit, κάτι που θα συζητηθεί αργότερα.

Intel 4004

Το 1971 έμεινε στην ιστορία ως η χρονιά των πρώτων μικροεπεξεργαστών. Ναι, ναι, τέτοιες λύσεις που χρησιμοποιούνται σήμερα σε προσωπικούς υπολογιστές, φορητούς υπολογιστές και άλλες συσκευές. Και ένας από τους πρώτους που ανακοινώθηκε ήταν η τότε μόλις ιδρυθείσα εταιρεία Intel, έχοντας λανσάρει το μοντέλο 4004 - τον πρώτο εμπορικά διαθέσιμο στον κόσμο επεξεργαστή single-chip.

Πριν πάτε απευθείας στον επεξεργαστή 4004, αξίζει να πούμε λίγα λόγια για την ίδια την Intel. Δημιουργήθηκε το 1968 από τους μηχανικούς Robert Noyce και Gordon Moore, οι οποίοι μέχρι τότε εργάζονταν προς όφελος της Fairchild Semiconductor, και του Andrew Grove. Παρεμπιπτόντως, ήταν ο Γκόρντον Μουρ που δημοσίευσε τον γνωστό «Νόμο του Μουρ», σύμφωνα με τον οποίο ο αριθμός των τρανζίστορ σε έναν επεξεργαστή διπλασιάζεται κάθε χρόνο.

Ήδη το 1969, μόλις ένα χρόνο μετά την ίδρυσή της, η Intel έλαβε παραγγελία από την ιαπωνική εταιρεία Nippon Calculating Machine (Busicon Corp.) για την παραγωγή 12 τσιπ για υπολογιστές επιτραπέζιων υπολογιστών υψηλής απόδοσης. Το αρχικό σχέδιο τσιπ προτάθηκε από την ίδια τη Nippon. Ωστόσο, αυτή η αρχιτεκτονική δεν άρεσε στους μηχανικούς της Intel και ένας υπάλληλος της αμερικανικής εταιρείας Ted Hoff πρότεινε τη μείωση του αριθμού των τσιπ σε τέσσερα μέσω της χρήσης ενός καθολικού ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ, το οποίο θα ήταν υπεύθυνο για αριθμητικές και λογικές συναρτήσεις. Εκτός από την κεντρική μονάδα επεξεργασίας, η αρχιτεκτονική του τσιπ περιελάμβανε RAM για την αποθήκευση δεδομένων χρήστη, καθώς και ROM για αποθήκευση λογισμικού. Μετά την έγκριση τελική δομήμικροκυκλώματα, συνεχίστηκαν οι εργασίες για το σχεδιασμό του μικροεπεξεργαστή.

Τον Απρίλιο του 1970, ο Ιταλός φυσικός Federico Fagin, ο οποίος είχε επίσης εργαστεί στο Fairchild, εντάχθηκε στην ομάδα μηχανικών της Intel. Είχε μεγάλη εμπειρία σε τεχνολογίες λογικού σχεδιασμού υπολογιστών και τεχνολογιών silicon gate MOS (metal-oxide-semiconductor). Χάρη στη συμβολή του Federico, οι μηχανικοί της Intel κατάφεραν να συνδυάσουν όλα τα μικροκυκλώματα σε ένα τσιπ. Έτσι ο πρώτος μικροεπεξεργαστής στον κόσμο 4004 είδε το φως της δημοσιότητας.

Επεξεργαστής Intel 4004

Σχετικά με ΠροδιαγραφέςΟι Intel 4004, λοιπόν, με τα σημερινά πρότυπα, φυσικά, ήταν κάτι παραπάνω από μέτριοι. Το τσιπ κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας μια τεχνολογία διαδικασίας 10 micron, περιείχε 2300 τρανζίστορ και λειτουργούσε σε συχνότητα 740 kHz, πράγμα που σήμαινε ότι μπορούσε να εκτελέσει 92.600 λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο. Ως παράγοντας μορφής χρησιμοποιήθηκε η συσκευασία DIP16. Διαστάσεις Intel 4004 ήταν 3x4 mm και υπήρχαν σειρές επαφών στα πλάγια. Αρχικά, όλα τα δικαιώματα του τσιπ ανήκαν στην Busicom, η οποία σκόπευε να χρησιμοποιήσει τον μικροεπεξεργαστή αποκλειστικά σε αριθμομηχανές δικής της παραγωγής. Ωστόσο, κατέληξαν να επιτρέψουν στην Intel να πουλήσει τα τσιπ της. Το 1971, ο καθένας μπορούσε να αγοράσει έναν επεξεργαστή 4004 για περίπου 200 $. Παρεμπιπτόντως, λίγο αργότερα, η Intel αγόρασε όλα τα δικαιώματα του επεξεργαστή από την Busicom, προβλέποντας σημαντικό ρόλο για το τσιπ στην επακόλουθη σμίκρυνση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Παρά τη διαθεσιμότητα του επεξεργαστή, το πεδίο εφαρμογής του περιοριζόταν στην αριθμομηχανή Busicom 141-PF. Επίσης για πολύ καιρόΥπήρχαν φήμες ότι το Intel 4004 χρησιμοποιήθηκε στο σχεδιασμό του υπολογιστή του μη επανδρωμένου διαστημικού σκάφους Pioneer 10, το οποίο έγινε το πρώτο διαπλανητικό ανιχνευτή που πέταξε κοντά στον Δία. Οι φήμες αυτές διαψεύδονται ευθέως από το γεγονός ότι επί του οχήματος υπολογιστέςοι «πρωτοπόροι» είχαν 18 ή 16 bit, ενώ ο Intel 4004 ήταν επεξεργαστής 4 bit. Ωστόσο, αξίζει να σημειωθεί ότι οι μηχανικοί της NASA εξέτασαν τη δυνατότητα χρήσης του στις συσκευές τους, αλλά θεώρησαν ότι το τσιπ δεν έχει δοκιμαστεί επαρκώς για τέτοιους σκοπούς.

Επεξεργαστής Intel 4040

Τρία χρόνια μετά την κυκλοφορία του επεξεργαστή Intel 4004, ο διάδοχός του, ο 4-bit Intel 4040, είδε το φως της δημοσιότητας. Το τσιπ κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνολογία διαδικασίας 10 micron και λειτουργούσε στην ίδια συχνότητα ρολογιού 740 kHz. Ωστόσο, ο επεξεργαστής έχει γίνει λίγο "πιο πολύπλοκος" και έχει λάβει ένα πιο πλούσιο σύνολο χαρακτηριστικών. Έτσι, το 4040 περιείχε 3000 τρανζίστορ (700 περισσότερα από 4004). Ο παράγοντας μορφής του επεξεργαστή παρέμεινε ο ίδιος, ωστόσο, αντί για το 16-pin, άρχισαν να χρησιμοποιούν ένα DIP 24-pin. Από τις βελτιώσεις στο 4040, αξίζει να σημειωθεί υποστήριξη για 14 νέες εντολές, αυξημένο βάθος στοίβας σε 7 επίπεδα, καθώς και υποστήριξη για διακοπές. Το "Τσαράντα" χρησιμοποιήθηκε κυρίως σε συσκευές δοκιμής και έλεγχο εξοπλισμού.

Intel 8008

Εκτός από τους επεξεργαστές 4-bit, στις αρχές της δεκαετίας του '70, εμφανίστηκε ένα μοντέλο 8-bit στο οπλοστάσιο της Intel - 8008. Στον πυρήνα του, το τσιπ ήταν μια έκδοση 8-bit του επεξεργαστή 4004 με χαμηλότερη ταχύτητα ρολογιού. Αυτό δεν πρέπει να προκαλεί έκπληξη, καθώς η ανάπτυξη του μοντέλου 8008 πραγματοποιήθηκε παράλληλα με την ανάπτυξη του 4004. Έτσι, το 1969, η Computer Terminal Corporation (αργότερα Datapoint) ανέθεσε στην Intel να δημιουργήσει έναν επεξεργαστή για τερματικά Datapoint, παρέχοντάς τους ένα διάγραμμα αρχιτεκτονικής. Όπως και με το 4004, ο Tad Hoff πρότεινε την ενσωμάτωση όλων των IC σε ένα ενιαίο τσιπ και η CTC συμφώνησε. Η ανάπτυξη πλησίαζε σιγά σιγά στο τέλος, αλλά το 1970 η CTC εγκατέλειψε τόσο το τσιπ όσο και την περαιτέρω συνεργασία με την Intel. Οι λόγοι ήταν απλοί: οι μηχανικοί της Intel δεν επένδυσαν στις προθεσμίες ανάπτυξης και η λειτουργικότητα της παρεχόμενης "πέτρας" δεν ανταποκρίθηκε στα αιτήματα της CTC. Η σύμβαση μεταξύ των δύο εταιρειών τερματίστηκε, τα δικαιώματα για όλες τις εξελίξεις παρέμειναν στην Intel. Η ιαπωνική εταιρεία Seiko ενδιαφέρθηκε για το νέο τσιπ, οι μηχανικοί της οποίας ήθελαν να χρησιμοποιήσουν τον νέο επεξεργαστή στις αριθμομηχανές τους.

Επεξεργαστής Intel 8008

Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, αλλά μετά τη λήξη της συνεργασίας με την CTC, η Intel μετονόμασε το τσιπ υπό ανάπτυξη σε 8008. Τον Απρίλιο του 1972, αυτός ο επεξεργαστής έγινε διαθέσιμος για παραγγελία στην τιμή των 120 $. Αφού η Intel έμεινε χωρίς υποστήριξη CTC, το στρατόπεδο της εταιρείας ήταν επιφυλακτικό σχετικά με τις εμπορικές προοπτικές του νέου τσιπ, αλλά οι αμφιβολίες ήταν μάταιες - ο επεξεργαστής πούλησε καλά.

Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του 8008 ήταν από πολλές απόψεις παρόμοια με του 4004. Ο επεξεργαστής κατασκευάστηκε σε μορφή DIP 18 ακίδων σύμφωνα με τεχνολογικά πρότυπα 10 micron και περιείχε 3500 τρανζίστορ. Η εσωτερική στοίβα υποστήριζε 8 επίπεδα και τον αριθμό των υποστηριζόμενων εξωτερική μνήμηήταν μέχρι 16 KB. Η ταχύτητα ρολογιού του 8008 ορίστηκε στα 500 kHz (240 kHz χαμηλότερη από το 4004). Εξαιτίας αυτού, ένας επεξεργαστής Intel 8-bit συχνά έχανε ταχύτητα σε έναν επεξεργαστή 4-bit.

Πολλά συστήματα υπολογιστών έχουν κατασκευαστεί με βάση το 8008. Το πρώτο από αυτά ήταν ένα όχι πολύ γνωστό έργο που ονομάζεται The Sac State 8008. Αυτό το σύστημα αναπτύχθηκε εντός των τειχών του Πανεπιστημίου του Σακραμέντο υπό την καθοδήγηση του μηχανικού Bill Pentz. Παρά το γεγονός ότι για μεγάλο χρονικό διάστημα το σύστημα Altair 8800 θεωρείτο ο πρώτος μικροϋπολογιστής που δημιουργήθηκε, είναι το The Sac State 8008 δηλαδή. Το έργο ολοκληρώθηκε το 1972 και ήταν ένας πλήρης υπολογιστής για την επεξεργασία και αποθήκευση ιατρικών αρχείων ασθενών. Ο υπολογιστής περιλάμβανε απευθείας τον επεξεργαστή 8008, HDD, 8K RAM, έγχρωμη οθόνη, διεπαφή mainframe και αποκλειστικό λειτουργικό σύστημα. Το κόστος ενός τέτοιου συστήματος ήταν εξαιρετικά υψηλό, επομένως το The Sac State 8008 δεν μπορούσε να έχει τη σωστή διανομή, αν και δεν είχε ανταγωνιστές από άποψη απόδοσης για αρκετό καιρό.

Έτσι έμοιαζε το The Sac State 8008

Ωστόσο, ο The Sac State 8008 δεν είναι ο μόνος υπολογιστής που έχει κατασκευαστεί γύρω από τον επεξεργαστή 8008. Έχουν δημιουργηθεί και άλλα συστήματα, όπως το αμερικανικό SCELBI-8H, το γαλλικό Micral N και το καναδικό MCM/70.

Intel 8080

Όπως και στην περίπτωση του επεξεργαστή 4004, λίγο αργότερα και ο 8008 έλαβε μια ενημέρωση για το τσιπ 8080. Ωστόσο, στην περίπτωση της λύσης των 8 bit, οι αλλαγές που έγιναν στην αρχιτεκτονική του επεξεργαστή ήταν πολύ πιο σημαντικές.

Η Intel 8080 παρουσιάστηκε τον Απρίλιο του 1974. Πρώτα απ 'όλα, πρέπει να σημειωθεί ότι η παραγωγή του επεξεργαστή μεταφέρθηκε σε μια νέα τεχνολογία επεξεργασίας 6 micron. Επιπλέον, η τεχνολογία N-MOS (n-channel transistors) χρησιμοποιήθηκε στην παραγωγή - σε αντίθεση με το 8008, το οποίο κατασκευάστηκε με τη λογική P-MOS. Η χρήση μιας νέας τεχνολογίας διεργασίας κατέστησε δυνατή την τοποθέτηση 6.000 τρανζίστορ σε ένα τσιπ. Ο παράγοντας μορφής που χρησιμοποιήθηκε ήταν ένα DIP 40 ακίδων.

Το 8080 έλαβε ένα πλουσιότερο σύνολο εντολών, το οποίο περιελάμβανε 16 οδηγίες μεταφοράς δεδομένων, 31 οδηγίες επεξεργασίας δεδομένων, 28 οδηγίες άμεσης μετάβασης διεύθυνσης και 5 οδηγίες ελέγχου. Η συχνότητα ρολογιού του επεξεργαστή ήταν 2 MHz - 4 φορές μεγαλύτερη από τον προκάτοχό του. Το 8080 είχε επίσης ένα δίαυλο διευθύνσεων 16-bit, που επέτρεπε τη διευθυνσιοδότηση 64 KB μνήμης. Αυτές οι καινοτομίες εξασφάλισαν την υψηλή απόδοση του νέου τσιπ, η οποία είναι περίπου 10 φορές υψηλότερη από αυτή του 8008.

Επεξεργαστής Intel 8080

Ο επεξεργαστής 8080 στην πρώτη του αναθεώρηση περιείχε ένα σοβαρό σφάλμα που θα μπορούσε να οδηγήσει σε πάγωμα. Το σφάλμα διορθώθηκε σε μια ενημερωμένη έκδοση του τσιπ, που ονομάζεται 8080A και κυκλοφόρησε μόλις έξι μήνες αργότερα.

Λόγω της υψηλής απόδοσης του, ο επεξεργαστής 8080 έχει γίνει πολύ δημοφιλής. Χρησιμοποιήθηκε ακόμη και σε συστήματα ελέγχου για οδικό φωτισμό και φανάρια. Ωστόσο, χρησιμοποιήθηκε κυρίως σε συστήματα υπολογιστών, το πιο διάσημο από τα οποία ήταν η ανάπτυξη του MITS Altair-8800, που παρουσιάστηκε το 1975.

Το Altair-8800 δούλεψε στη βάση λειτουργικό σύστημα Altair BASIC, και η διεπαφή S-100 χρησιμοποιήθηκε ως λεωφορείο, το οποίο λίγα χρόνια αργότερα έγινε το πρότυπο για όλους τους προσωπικούς υπολογιστές. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του υπολογιστή ήταν κάτι παραπάνω από μέτρια. Είχε μόνο 256 byte RAM, δεν είχε πληκτρολόγιο και οθόνη. Ο χρήστης αλληλεπιδρούσε με τον υπολογιστή εισάγοντας προγράμματα και δεδομένα σε δυαδική μορφή κάνοντας κλικ σε ένα σύνολο μικρών πλήκτρων που θα μπορούσαν να καταλάβουν δύο θέσεις: πάνω και κάτω. Το αποτέλεσμα διαβάστηκε επίσης σε δυαδική μορφή - από τις σβησμένες και λαμπερές λάμπες. Ωστόσο, το Altair-8800 έγινε τόσο δημοφιλές που μια μικρή εταιρεία όπως η MITS απλά δεν μπορούσε να ανταποκριθεί στη ζήτηση για υπολογιστές. Η δημοτικότητα του υπολογιστή συνέβαλε άμεσα στο χαμηλό κόστος του - 621 δολάρια ΗΠΑ. Ταυτόχρονα, για 439 δολάρια ΗΠΑ ήταν δυνατή η αγορά ενός υπολογιστή σε αποσυναρμολογημένη μορφή.

Υπολογιστής Altair-8800

Επιστρέφοντας στο θέμα του 8080, να σημειωθεί ότι υπήρχαν πολλοί κλώνοι του στην αγορά. Η κατάσταση του μάρκετινγκ εκείνη την εποχή ήταν πολύ διαφορετική από αυτή που βλέπουμε σήμερα, και ήταν κερδοφόρο για την Intel να χορηγεί άδεια σε τρίτες εταιρείες για την κατασκευή αντιγράφων του 8080. Πολλές μεγάλες εταιρείες συμμετείχαν στην παραγωγή κλώνων, όπως η National Semiconductor, NEC, Siemens και AMD. Ναι, στη δεκαετία του '70 η AMD δεν είχε ακόμη τους δικούς της επεξεργαστές - η εταιρεία ασχολούνταν αποκλειστικά με την κυκλοφορία "remake" άλλων κρυστάλλων στις δικές της εγκαταστάσεις.

Είναι ενδιαφέρον ότι υπήρχε επίσης ένα εγχώριο αντίγραφο του επεξεργαστή 8080. Αναπτύχθηκε από το Ερευνητικό Ινστιτούτο Μικροσυσκευών του Κιέβου και ονομαζόταν KR580VM80A. Κυκλοφόρησαν αρκετές παραλλαγές αυτού του επεξεργαστή, συμπεριλαμβανομένων εκείνων για χρήση σε στρατιωτικές εγκαταστάσεις.

"Τετράγωνο" KR580VM80A

Το 1976 εμφανίστηκε αναβαθμισμένη έκδοση chip 8080, που έλαβε το δείκτη 8085. Ο νέος κρύσταλλος κατασκευάστηκε σύμφωνα με την τεχνολογία διεργασίας 3 micron, η οποία επέτρεψε την τοποθέτηση 6500 τρανζίστορ στο τσιπ. Η μέγιστη συχνότητα ρολογιού του επεξεργαστή ήταν 6 MHz. Το σύνολο των υποστηριζόμενων οδηγιών περιείχε 79 εντολές, μεταξύ των οποίων και δύο νέες οδηγίες για τη διαχείριση των διακοπών.

Zilog Z80

Το κύριο γεγονός μετά την κυκλοφορία του 8080 ήταν η απόλυση του Federico Fagin. Ο Ιταλός δεν συμφώνησε με την εσωτερική πολιτική της εταιρείας και αποφάσισε να αποχωρήσει. Μαζί με τον πρώην διευθυντή της Intel, Ralph Ungermann και τον Ιάπωνα μηχανικό Masatoshi Shima, ίδρυσε τη Zilog. Αμέσως μετά ξεκίνησε η ανάπτυξη ενός νέου επεξεργαστή, παρόμοιας αρχιτεκτονικής με τον 8080. Έτσι, τον Ιούλιο του 1976, εμφανίστηκε ο επεξεργαστής Zilog Z80, δυαδικός συμβατός με τον 8080.

Federico Fagin (αριστερά)

Σε σύγκριση με την Intel 8080, το Zilog Z80 είχε πολλές βελτιώσεις, όπως ένα εκτεταμένο σύνολο εντολών, νέους καταχωρητές και οδηγίες για αυτούς, νέες λειτουργίες διακοπής, δύο ξεχωριστά μπλοκ καταχωρητών και ένα ενσωματωμένο κύκλωμα ανανέωσης δυναμικής μνήμης. Επιπλέον, το κόστος του Z80 ήταν πολύ χαμηλότερο από το 8080.

Όσον αφορά τα τεχνικά χαρακτηριστικά, ο επεξεργαστής κατασκευάστηκε σύμφωνα με τεχνολογικά πρότυπα 3 micron χρησιμοποιώντας τεχνολογίες N-MOS και CMOS. Το Z80 περιείχε 8500 τρανζίστορ και το εμβαδόν του ήταν 22,54 mm 2 . Η συχνότητα ρολογιού του Z80 κυμαινόταν από 2,5 έως 8 MHz. Το πλάτος του διαύλου δεδομένων ήταν 8 bit. Ο επεξεργαστής είχε ένα δίαυλο διευθύνσεων 16-bit και η ποσότητα της διευθυνσιοδοτούμενης μνήμης ήταν 64 KB. Το Z80 κατασκευάστηκε σε διάφορες μορφές: DIP40 ή PLCC 44 ακίδων και PQFP.

Επεξεργαστής Zilog Z80

Το Z80 ξεπέρασε γρήγορα όλες τις ανταγωνιστικές λύσεις σε δημοτικότητα, συμπεριλαμβανομένου του 8080. Ο επεξεργαστής χρησιμοποιήθηκε σε υπολογιστές από εταιρείες όπως η Sharp, η NEC και άλλες. Το Z80 «εγγράφηκε» και στις κονσόλες Sega και Nintendo. Επιπλέον, ο επεξεργαστής χρησιμοποιήθηκε σε παιχνιδομηχανές, μόντεμ, εκτυπωτές, βιομηχανικά ρομπότ και πολλές άλλες συσκευές.

ZX Spectrum

Μια συσκευή που ονομάζεται ZX Spectrum αξίζει ιδιαίτερης αναφοράς, παρά το γεγονός ότι η ιστορία μας σήμερα δεν αφορά τις αποφάσεις της δεκαετίας του '80 του περασμένου αιώνα. Ο υπολογιστής αναπτύχθηκε από τη βρετανική εταιρεία Sinclair Research και κυκλοφόρησε το 1982. Το ZX Spectrum απείχε πολύ από την πρώτη ανάπτυξη SR. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, ο επικεφαλής της εταιρείας και ο αρχιμηχανικός της Clive Sinclair (Clive Sinclair) ασχολούνταν με την πώληση εξαρτημάτων ραδιοφώνου μέσω ταχυδρομείου. Προς τα μέσα της δεκαετίας του '70, ο Clive δημιούργησε μια αριθμομηχανή τσέπης, η οποία έγινε η πρώτη επιτυχημένη εφεύρεση της εταιρείας. Σημειώστε ότι η εταιρεία δεν συμμετείχε άμεσα στην ανάπτυξη της αριθμομηχανής. Κατάφεραν να βρουν έναν επιτυχημένο συνδυασμό σχεδιασμού, λειτουργικότητας και αξίας, χάρη στον οποίο η συσκευή πούλησε καλά. Η επόμενη συσκευή Sinclair ήταν επίσης μια αριθμομηχανή, αλλά με ένα πιο πλούσιο σύνολο λειτουργιών. Η συσκευή προοριζόταν για ένα πιο «προχωρημένο» κοινό, αλλά δεν κατάφερε να κερδίσει μεγάλη επιτυχία.

Clive Sinclair - ο «πατέρας» του ZX Spectrum

Μετά τις αριθμομηχανές, ο Sinclair αποφάσισε να επικεντρωθεί στην ανάπτυξη ολοκληρωμένων υπολογιστών και μεταξύ 1980 και 1981 εμφανίστηκε η σειρά οικιακών υπολογιστών ZX: οι ZX80 και ZX81. Αλλά η πιο δημοφιλής λύση ήταν ένα σύστημα που κυκλοφόρησε το 1982 με το όνομα ZX Spectrum. Αρχικά, έπρεπε να βγει στην αγορά με το όνομα ZX83, αλλά την τελευταία στιγμή αποφασίστηκε να μετονομαστεί η συσκευή για να τονιστεί η υποστήριξη του υπολογιστή για έγχρωμες εικόνες.

Το ZX Spectrum έχει γίνει δημοφιλές κυρίως λόγω της απλότητας και του χαμηλού κόστους του. Ο υπολογιστής έμοιαζε κονσόλα παιχνιδιού. Μια τηλεόραση συνδέθηκε σε αυτήν μέσω εξωτερικών διεπαφών, η οποία χρησιμοποιήθηκε ως οθόνη, και ένα κασετόφωνο που λειτουργούσε ως μονάδα δίσκου. Στο σώμα του Spectrum υπήρχε ένα πολυλειτουργικό πληκτρολόγιο με 40 λαστιχένια πλήκτρα. Κάθε κουμπί είχε έως και επτά τιμές όταν εργάζονταν σε διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας.

Υπολογιστής ZX Spectrum

Η εσωτερική αρχιτεκτονική του ZX Spectrum ήταν επίσης αρκετά απλή. Χάρη στη χρήση της τεχνολογίας ULA (Uncommitted Logic Array), το κύριο μέρος του κυκλώματος του υπολογιστή τοποθετήθηκε σε ένα μόνο τσιπ. Η CPU που χρησιμοποιήθηκε ήταν μια Zilog Z80 χρονισμένη στα 3,5 MHz. Η ποσότητα της μνήμης RAM ήταν 16 ή 48 KB. Είναι αλήθεια ότι ορισμένοι κατασκευαστές τρίτων παρήγαγαν μονάδες μνήμης 32 KB που είχαν εισαχθεί σε μία από τις θύρες επέκτασης Spectrum. Η ποσότητα της ROM ήταν 16 KB και μια διάλεκτος της γλώσσας BASIC που ονομάζεται Sinclair BASIC ήταν ραμμένη στη μνήμη. Το ZX Spectrum υποστήριζε μόνο έξοδο ήχου ενός bit μέσω του ενσωματωμένου ηχείου. Ο υπολογιστής λειτουργούσε μόνο σε λειτουργία γραφικών (8 χρώματα και 2 επίπεδα φωτεινότητας). Κατά συνέπεια, δεν υπήρχε υποστήριξη για τη λειτουργία κειμένου. Η μέγιστη ανάλυση ήταν 256x192 pixel.