Мікропроцесор складається з декількох блоків, з’єднаних між собою, кожен з них виконує певну функцію. Проект і взаємозв’язок цих блоків називається архітектурою. Швидкість, з якою комп’ютер може читати інструкції і виконувати відповідні обчислення, визначається робочою частотою мікропроцесора. Виробники домоглися великих успіхів у розробці архітектури, що дозволяє комп’ютерам все менше залежати від частоти, тобто мікро з низькими частотами і швидкостями можуть виконувати більше обчислень і завдань. В процесі еволюції архітектури мікропроцесора вона перетворилася з одноядерної в многоядерную, здатну обробляти кілька частин інформації одночасно.
Історія поколінь мікропроцесора
Компанія Fairchild Semiconductor (Ярмарок дитячих напівпровідників), заснована в 1957 році винайшла свою першу інтегральну схему в 1959 році, яка ознаменувала початок історії мікропроцесорів. У 1968 році Гордон Мур, Роберт Нойс і Ендрю Гроув пішли з Ярмарку дитячих напівпровідників і заснували власну компанію: Integrated Electronics (Intel). В 1971 році компанія винайшла перший Intel 4004.
Сьогодні існує кілька поколінь архітектури мікропроцесорів:
- 1-е покоління з 1971 по 1973 роки. У 1971 році INTEL 4004 з тактовою частотою 108 кГц. Протягом цього періоду використовувалися інші моделі на ринку, включаючи Rockwell International PPS-4, INTEL-8008 і National semiconductors IMP-16, вони були не TTL-сумісними пристроями.
- 2-е покоління з 1973 по 1978 рік, реалізовані дуже ефективні 8-розрядні мікропроцесори, такі як Motorola 6800 і 6801, INTEL-8085 і Zilogs-Z80. Внаслідок їх надшвидкої швидкості вони були дорогими, оскільки грунтувалися на виготовленні технології NMOS, тим не менш, незважаючи на ціну, були дуже популярні.
- 3-е покоління архітектури мікропроцесора використовувалося з 1979 по 1980 рік.У цьому періоді були розроблені INTEL 8086/80186/80286 і Motorola 68000 і 68010. Швидкості цих процесорів були в чотири рази краще, ніж у попередників.
- 4-е покоління з 1981 по 1995 роки – були розроблені 32-розрядні мікропроцесори з використанням HCMOS. INTEL-80386 і Motorola 68020/68030 були популярними процесорами.
- 5-е покоління стартувала в 1995 році і по теперішній час. У цьому періоді на ринок випустили 64-розрядну архітектуру сучасного мікропроцесора, до яких відносяться Pentium, Celeron, Dual і Quad Core.
Віхи створення Intel Celeron і Pentium
Intel Celeron був представлений у квітні 1998 року і відноситься до ряду процесорів Intel X86 для персональних ПК. Він заснований на Pentium 2 і може працювати на всіх комп’ютерних програмах IA-32.
Історія Intel Celeron:
- 4 /01/2000 – Intel Celeron 533.0 МГц;
- 14/02/2000 – мобільний Intel Celeron 450/500 МГц;
- 19/06/2000 – мобільний Intel Celeron низької напруги, 500.0 МГц;
- 3/01/2001 – Intel Celeron, 800 МГц;
- 2001 – Intel Celeron (1,2 ГГц);
- 2002 – архітектура мікропроцесора Intel Celeron (1.3, 2.10, 2.20 ГГц);
- 2003 – мобільний процесор Intel Celeron 2/ 2.55 ГГц.
- 2004 – Intel Celeron M 320 та 310 (1,3, 1,2 ГГц);
- 2008 – Celeron Core 2 DUO (Аллендейл).
Pentium був представлений 2 березня 1993 року. Він змінив архітектуру мікропроцесора Intel 486, цифра 4 вказує на мікроархітектуру четвертого покоління в історії мікропроцесорів. Pentium відноситься до одноядерному Intel x86, який заснований на архітектурі п’ятого покоління. Назва цього процесора походить від грецького слова penta, що означає “п’ять”.
Початковий процесор Pentium був замінений на Pentium MMX в 1996 році і має шину даних 64 біт. Стандартний одиночний цикл передачі може зчитувати або записувати до 64 битий одночасно. Цикли читання і запису Burst підтримуються процесорами Pentium. Вони використовуються для операцій кешування і передачі 32 байтів (розмір рядка кеш Pentium) за 4 такти. Всі операції з кешем є пакетними циклами для нього.
Конструкція центрального процесора
Архітектура мікропроцесора має безліч периферійних пристроїв, що виготовляються на одному кристалі. Він має ALU (арифметико-логічний блок), блок управління, регістри, шинні системи і годинник для виконання обчислювальних завдань.
Мікропроцесор являє собою єдиний пакет мікросхем, в якому ряд корисних функцій інтегрований і виготовлений на одному кремниевом напівпровідниковому чіпі. Його архітектура складається з центрального процесора, модулів пам’яті, системної шини і блоку вводу/виводу. Системна шина з’єднує різні блоки для полегшення обміну інформацією. Крім того, він складається з шин даних, адрес і управління для належного обміну даними, з чим пов’язано глибинне поняття архітектури мікропроцесора.
Центральний процесор складається з одного або декількох арифметико-логічних блоків (АЛУ), регістрів і блоку управління. На підставі регістрів також можна класифікувати номер покоління. АЛУ обчислює всі арифметичні операції, а також логічні операції над даними і визначає розмір мікропроцесора, наприклад, 16-бітний або 32-бітний.
Блок пам’яті містить програму, а також дані, і розділений на процесор, первинну та вторинну пам’ять. Блок введення і виведення з’єднує аналогічні периферійні пристрої зв’язку з мікропроцесором для прийому і відправки інформації.
Типи micro в системах
Існує кілька типів архітектур мікропроцесорів, доступних для використання в різних системах:
Мікропроцесори поділяються на п’ять типів: CISC-Complex Instruction Set, мікропроцесор RISC скороченого набору команд, спеціалізована інтегральна схема ASIC, суперскалярні процесори і цифрові сигнальні мікропроцесори DSP.
Ці процесори використовуються для кодування і декодування відео або для перетворення ЦАП (цифро-аналоговий) і А/Ц (аналого-цифровий). Їм потрібен мікропроцесор, який чудовий у математичних обчисленнях. Мікросхеми цього процесора використовуються в RADAR, домашніх кінотеатрах, SONAR, аудіосистеми, телевізійних приставок і мобільних телефонах.
Еволюція Intel x86
Архітектура Intel x86 розвивалася роками. Від 29 000 транзисторних мікропроцесорів 8086 чотирьохядерний процесор Intel Core 2 містить 820 мільйонів транзисторів, у зв’язку з чим організація і технологія виробництва кардинально змінилися.
Деякі з основних моментів розвитку архітектури x86:
80286: 16-бітний microprose
В основному це microprose, є розширеною версією 8086. Тому перед тим, як зрозуміти 80286, потрібно мати мінімальні уявлення про 8086. Intel 8086 – це 16-бітний мікропроцесор, призначений для використання в якості ЦП в микрокомпьютерах. Термін 16 біт означає, що його арифметична, логічна одиниця, внутрішні регістри, інструкції призначені для роботи з 16-бітовими двійковими кодами. Має 20-бітну адресну шину та 16-бітна шину даних. Таким чином, це означає, що він може звертатися до будь-якого з 1048576 комірок пам’яті і може зчитувати або записувати дані в пам’ять і порти по 16 або 8 біт.
Архітектура мікропроцесора 80286 спеціально розроблена для багатокористувацької і багатозадачної системи. Вона має чотири рівня захисту пам’яті і підтримує операційну систему. Продуктивність більш ніж у два рази вище за такт, ніж у попередників Intel 8086/8088. Складні математичні операції займають менше тактів порівняно з 8086. Він усуває мультиплексування шин і має лінійну адресну шину з 24 адресними рядками, яка може безпосередньо передавати 16 Мбайт пам’яті. Це підтримується модулем керування пам’яті, і через нього він може віддавати 1 Гбайт пам’яті, також відому як віртуальна. Процесор включає в себе різні вбудовані механізми, які можуть захистити системне від користувацьких програм і обмежити доступ до деяких областях пам’яті.
Є два режими роботи для 80286. Режим реального адреси та режим захищеного віртуального адреси. В основному в цьому режимі користувач не заважає іншому. Також вони не можуть втручатися в операційну систему. Ці функції називаються захистом. 80286 містить чотири блоки обробки:
Поки виконується поточна інструкція, BU попередньо вибирає команду s і зберігає її у чергу з шести байтів. Функція U є розшифрувати відточені інструкції і зберегти чергу з трьох декодованих інструкцій. Блок адреси обчислює адреса пам’яті або пристроїв вводу/виводу, який повинен бути відправлений для читання і операції запису. Всі чотири блоки працюють паралельно усередині процесора. Ця реалізація передбачення переходів в архітектуру мікропроцесорів називається конвеєрної.
Наступний напрямки еволюції це мікропроцесор 80386 – перша 32-розрядна машина Intel. Завдяки своїй архітектурі вона змогла конкурувати зі складністю і міццю мікрокомп’ютерів і мейнфреймів, представлених кількома роками раніше. Це був перший процесор, який підтримував багатозадачність і містив 32-бітний захищений режим. У ній реалізована концепція підкачки. Вона має адресуемую фізичну пам’ять об’ємом 4 ГБ і ширину передачі даних 32 біта.
80486: технологія кешування
Пізніше в 1989 році на ринок вийшов мікро 80486 і представив концепцію технології кешування і конвеєрну обробку команд. Він містив функцію захисту від запису і пропонував вбудований математичний співпроцесор, який виконує складні операції з основного процесора.
Різновиди мікро 4 покоління:
Базис 486-го пристрою
Поняття архітектур, на які діляться мікропроцесори, є комплексним і включає в себе такі елементи, як структурна схема, засоби доступу, розрядність інтерфейсів, формат даних і переривань.
Важливі додаткові особливості 486 процесора в порівнянні з 386 полягають у наступному:
Блоки RISC
RISC розшифровується як комп’ютер з скороченим набором інструкцій і являє собою тип стратегії проектування архітектурного процесора. Архітектура мікропроцесора RISC відноситься до способу планування і складання процесора і може мати відношення або до апаратного забезпечення, або до програмного, найбільш близькому до кремнію, на якому він працює. Архітектура набору інструкцій (ISA) визначає базове програмне забезпечення.
Апаратна архітектура комп’ютера вимагає код, який розбиває інструкції на 0 і 1 і який ПК може зрозуміти, також відомий як машинний код. Архітектура процесора може бути зовсім інший, і програмне забезпечення ISA буде відображати це. Різницю між ними можна знайти в тому, як виконуються завдання, наприклад, по обробці регістрів, переривання, адресації пам’яті, зовнішніх входів і виходів.
Іншими словами, машинний код для одного не буде працювати на іншій. Наприклад, настільна версія Windows не буде працювати на смартфоні, оскільки архітектура відрізняється. Хоча Microsoft заохочує можливе об’єднання в одну ОС для настільних комп’ютерів, ноутбуків і планшетів, починаючи з введення Windows 8.
Існує кілька типів процесорних архітектур і відповідних ISA. Деякі приклади RISC – це ARM, MIPS, SPARC і PowerPC. Сучасні процесори сильно інтегровані і працюють швидше, тому набори команд RISC стають все більш складними, щоб використовувати переваги вдосконаленої технології.
CISC архітектура
Для того щоб відповісти на питання, що розуміють під архітектурою мікропроцесора CISC, потрібно розглянути підхід CISC до кількості виконуваних інструкцій. Її головне завдання в цьому питанні — мінімізація обсягу на програму, жертвуючи при цьому кількістю циклів. Комп’ютери на основі архітектури CISC призначені для зниження вартості пам’яті. Великі програми потребують більшого обсягу пам’яті, що збільшує вартість. Щоб вирішити ці проблеми, кількість команд на програму може бути зменшено шляхом вкладення безлічі операцій в одну інструкцію, тим самим роблячи її більш складною.
MUL завантажує два значення з пам’яті в окремі регістри в CISC. Мікропроцесор використовує мінімально можливі інструкції при реалізації апаратного забезпечення і виконує операції.
Основні ключові слова, використані в цій архітектурі:
Переваги і недоліки
За форматами використовуваних команд (інструкцій) можна виділити основні види класифікації архітектур мікропроцесорів: RISC і CISC. Переваги архітектури RISC в тому, що вона має набір інструкцій, тому високорівневі мовні компілятори можуть створювати більш ефективний код. Це дозволяє вільне використання простору на мікропроцесорах з-за простоти. Багато процесори RISC використовують регістри для передачі аргументів і зберігання локальних змінних. Функції використовують тільки кілька параметрів, і процесори не можуть використовувати інструкції виклику і, отже, використовують метод фіксованої довжини, яку легко транслювати.
Швидкість операції може бути максимізований, а час виконання може бути мінімізовано. Потрібна менша кількість форматів навчання, кілька номерів інструкцій, кілька режимів адресації і хороша масштабованість. Поняття масштабована архітектура мікропроцесора передбачає використання регістрових вікон, що забезпечує зручний механізм передачі параметрів між програмами та повернення результатів. Подібний механізм реалізований в SPARC.
Недоліки архітектури RISC викликані тим, що в основному продуктивність процесорів RISC залежить від програміста або компілятора, тому знання компілятора відіграє життєво важливу роль при зміні коду CISC на код RISC. При перестановці CISC код RISC, званий розширенням коду, буде збільшуватися розмір. І якість цього розширення буде знову залежати від компілятора, а також від набору команд машини. Кеш першого рівня процесорів RISC також є недоліком. Ці процесори мають велику кеш пам’ять на самому чіпі. Для подачі інструкцій їм потрібні дуже швидкі системи пам’яті.
Переваги архітектури CISC – простота микрокодирования нових інструкцій – дозволила розробникам зробити машини CISC більш сумісними. По мірі того як кожна ставала досконалішою, для реалізації завдань можна було використовувати меншу кількість інструкцій.
Недоліки архітектури CISC:
Таким чином, можна підвести підсумок, що архітектура набору команд — це середовище, що забезпечує зв’язок між програмістом і обладнанням. Частина виконання і копіювання даних, видалення або редагування — це користувацькі команди для конкретного виду архітектури мікропроцесорів.
