История развития процессоров с 1971 года до наших дней

История развития процессоров

Характеристики МП

Контрольные вопросы

История развития процессоров с 1971 года до наших дней

Интересен тот факт, что первый процессор был выпущен на 10 лет раньше первого ком­пьютера IBM PC. Компания Intel создала свой первый процессор в 1971 году, а компания IBM свой первый ПК — в 1981 году. Но даже теперь, спустя более четверти века, мы продол­жаем использовать системы, в той или иной мере сходные по архитектуре с первым ПК. Про­цессоры, установленные в наших компьютерах сегодня, большей частью имеют обратную совместимость с процессором 8088, который компания IBM выбрала для своего первого персо­нального компьютера в 1981 году.

15 ноября 2001 года микропроцессор отпраздновал свое 30-летие. За эти годы его быстро­действие увеличилось более чем в 18500 раз (с 0,108 МГц до 2 ГГц). Процессор 4004 был представлен 15 ноября 1971 года; он работал на частоте 108 кГц (108000 тактов в секунду, или всего 0,1 МГц). Про­цессор 4004 содержал 2300 транзисторов и производился с использованием 10-микронной технологии. Это означает, что все линии, дорожки и транзисторы располагались от других элементов на расстоянии около 10 микрон (миллионная часть метра). Данные передавались блоками по 4 бит за такт, а максимальный адресуемый объем памяти составлял 640 байт. Процессор 4004 предназначался для использования в калькуляторах, однако в конечном ито­ге нашел и другие применения в связи с широкими возможностями программирования. На­пример, процессор 4004 использовался для управления светофорами, при анализе крови и даже в исследовательской ракете Pioneer 10, запущенной NASA!

В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3500 транзисторов и производился все по той же 10-микронной технологии. Шина данных была 8-разрядной, что позволяло адресовать 16 Кбайт памяти. Этот процессор предназначался для использования в терминалах и программируемых калькуляторах.

Следующая модель процессора, 8080, была анонсирована в апреле 1974 года. Этот процессор содержал 6000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нем был собран первый персональный компьютер (не PC) Altair 8800. В этом компьютере использовалась операционная система CP/M, а Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ.

Со временем процессор 8080 стал настолько известен, что его начали копировать. В конце 1975 года несколько бывших инженеров Intel, занимавшихся разработкой процессора 8080, создали компанию Zilog. В июле 1976 года эта компания выпустила процессор Z-80, который представлял собой значительно улучшенную версию 8080. Этот процессор был несовместим с 8080 по контактным выводам, но сочетал в себе множество различных функций, например интерфейс памяти и схему обновления ОЗУ (RAM), что давало возможность разрабатывать более дешевые и простые компьютеры. В Z-80 был также включен расширенный набор ко­манд процессора 8080, позволяющий использовать его программное обеспечение. В этот про­цессор вошли новые команды и внутренние регистры, поэтому программное обеспечение, разработанное для Z-80, могло использоваться практически со всеми версиями 8080. Перво­начально процессор Z-80 работал на частоте 2,5 МГц (более поздние версии работали уже на частоте 10 МГц), содержал 8500 транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти.

Компания Intel не остановилась на достигнутом, и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3-микронной технологии. Несмотря на то что он обогнал процессор Z-80 на несколько меся­цев, ему так и не удалось достичь популярности последнего. Он использовался в основном в качестве управляющей микросхемы различных компьютеризованных устройств.

В этом же году компания MOS Technologies выпустила процессор 6502, который был аб­солютно не похож на процессоры Intel. Он был разработан группой инженеров компании Mo­torola. Эта же группа работала над созданием процессора 6800, который в будущем трансфор­мировался в семейство процессоров 68000. Цена первой версии процессора 8080 достигала 300 долларов, в то время как 8-разрядный процессор 6502 стоил всего около 25 долларов. Та­кая цена была вполне приемлема для Стива Возняка (Steve Wozniak), и он встроил процессор- 6502 в новые модели Apple I и Apple II. Процессор 6502 использовался также в системах, соз­данных компанией Commodore и другими производителями. Этот процессор и его преемники с успехом работали в игровых компьютерных системах, в число которых вошла приставка Nintendo Entertainment System (NES). Компания Motorola продолжила работу над созданием серии процессоров 68000, которые впоследствии были использованы в компьютерах Apple Macintosh. Второе поколение компьютеров Mac использовало процессор PowerPC, являю­щийся преемником 68000. Сегодня компьютеры Mac снова перешли на архитектуру PC и ис­пользуют с ними одни процессоры, микросхемы системной логики и прочие компоненты.

В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под ко­довым названием х86. Этот же набор команд до сих пор поддерживается в самых современных процессорах Core 2 и AMD Athlon 64 X2. Процессор 8086 был полностью 16-разрядным — внут­ренние регистры и шина данных. Он содержал 29000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20-разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти. При создании про­цессора 8086 обратная совместимость с 8080 не предусматривалась. Но в то же время значи­тельное сходство их команд и языка позволили использовать более ранние версии программ­ного обеспечения. Это свойство впоследствии сыграло важную роль для быстрого перевода программ системы CP/M (8080) на рельсы PC.

Несмотря на высокую эффективность процессора 8086 его цена была все же слишком вы­сока по меркам того времени и, что гораздо важнее, для его работы требовалась дорогая мик­росхема поддержки 16-разрядной шины данных. Чтобы уменьшить себестоимость процессо­ра, в 1979 году Intel выпустила процессор 8088 — упрощенную версию 8086. Процессор 8088 использовал те же внутреннее ядро и 16-разрядные регистры, что и 8086, мог адресовать 1 Мбайт памяти, но в отличие от предыдущей версии использовал внешнюю 8-разрядную шину данных. Это позволило обеспечить обратную совместимость с ранее разработанным 8-разрядным процессором 8085 и тем самым значительно снизить стоимость создаваемых системных плат и компьютеров. Именно поэтому IBM выбрала для своего первого ПК "урезанный" процессор 8088, а не 8086.

Это решение имело далеко идущие последствия для всей компьютерной индустрии. Про­цессор 8088 был полностью программно-совместимым с 8086, что позволяло использовать 16-разрядное программное обеспечение. В процессорах 8085 и 8080 использовался очень по­хожий набор команд, поэтому программы, написанные для процессоров предыдущих версий, можно было легко преобразовать для процессора 8088. Это, в свою очередь, позволяло разра­батывать разнообразные программы для IBM РС, что явилось залогом его будущего успеха. Не желая останавливаться на полпути, Intel была вынуждена обеспечить поддержку обратной совместимости 8088/8086 с большинством процессоров, выпущенных в то время.

В те годы еще поддерживалась обратная совместимость процессоров, что ничуть не меша­ло вводить различные новшества и дополнительные возможности. Одним из основных изме­нений стал переход от 16-разрядной внутренней архитектуры процессора 286 и более ранних версий к 32-разрядной внутренней архитектуре 386-го и последующих процессоров, относя­щихся к категории IA-32 (32-разрядная архитектура Intel). Эта архитектура была представ­лена в 1985 году, однако потребовалось еще 10 лет, чтобы на рынке появились такие операци­онные системы, как Windows 95 (частично 32-разрядные) и Windows NT (требующие ис­пользования исключительно 32-разрядных драйверов). И только еще через шесть лет появилась операционная система Windows XP, которая была 32-разрядной как на уровне драйверов, так и на уровне всех компонентов. Итак, на адаптацию 32-разрядных вычислений потребовалось 16 лет. Для компьютерной индустрии это довольно длительный срок.

Теперь наблюдается очередной "скачок" в развитии архитектуры ПК — компании Intel и AMD представили 64-разрядные расширения 32-разрядной архитектуры Intel IA-64 (Intel Archi­tecture, 64-bit — 64-разрядная архитектура Intel), выпустив процессоры Itanium и Itanium 2. Од­нако данная архитектура была абсолютно несовместима с существовавшей 32-разрядной. Архи­тектура IA-64 была анонсирована в 1994 году в рамках проекта по разработке компаниями Intel и HP нового процессора с кодовым именем Merced; первые технические детали были опубликованы в октябре 1997 года. В результате в 2001 году был выпущен процессор Itanium, поддерживающий архитектуру IA-64.

К сожалению, IA-64 не являлась расширением архитектуры IA-32, а была совершенно но­вой архитектурой. Это хорошо для рынка серверов (собственно, для этого IA-64 и разрабаты­валась), однако совершенно неприемлемо для мира ПК, который всегда требовал обратной совместимости. Хотя архитектура IA-64 и поддерживает эмуляцию IA-32, при этом обеспечи­вается очень низкая производительность.

Компания AMD пошла по другому пути и разработала 64-разрядные расширения для архи­тектуры IA-32. В результате появилась архитектура AMD64 (которая также называется x86-64). Через некоторое время Intel представила собственный набор 64-разрядных расширений, кото­рый назвала EM64T (IA-32e). Расширения Intel практически идентичны расширениям AMD, что означает их совместимость на программном уровне. В результате впервые в истории сложи­лась ситуация, когда Intel следовала за AMD в разработке архитектуры ПК, а не наоборот.

Для того чтобы 64-разрядные вычисления стали реальностью, необходимы 64-разрядные операционные системы и драйверы. В апреле 2005 года компания Microsoft начала распро­странять пробную версию Windows XP Professional x64 Edition, поддерживающую дополни­тельные инструкции AMD64 и EM64T. Основные производители компьютеров уже постав­ляют готовые системы с предустановленной Windows XP Professional x64 и с 64-разрядной системой Windows Vista; они также разработали 64-разрядные драйверы для достаточно со­временных моделей устройств. Выпускаются и 64-разрядные версии Linux, благодаря чему каких-либо серьезных препятствий для перехода к 64-разрядным вычислениям нет.

Последним достижением можно считать выпуск компаниями Intel и AMD двух- и четы-рехъядерных процессоров. Они содержат два или четыре полноценных ядра на одной под­ложке; в результате один процессор теоретически может выполнять работу двух или четырех процессоров. Хотя многоядерные процессоры не обеспечивают значительного увеличения быстродействия в играх (которые в основном предполагают выполнение данных в один по­ток), они просто незаменимы в многозадачной среде. Если вы когда-нибудь пытались одно­временно выполнять проверку компьютера на наличие вирусов, работать с электронной по­чтой, а также запускать какие-то другие приложения, то наверняка знаете, что такая нагрузка может "поставить на колени" даже самый быстрый одноядерный процессор. Поскольку двухъядерные процессоры сейчас выпускаются обеими компаниями, Intel и AMD, шансы на то, что вам удастся выполнить работу гораздо быстрее благодаря многозадачности, значи­тельно возрастают. Современные двухъядерные процессоры также поддерживают 64-разряд­ные расширения AMD64 или EM64T, что позволяет воспользоваться преимуществами как двухъядерности, так и 64-разрядных вычислений.

Персональные компьютеры прошли долгий путь развития. Первый используемый в ПК процессор 8088 содержал 29 тыс. транзисторов и работал с частотой 4,77 МГц. Процессор AMD Athlon 64 FX содержит больше 105 млн. транзисторов, процессор Pentium 4 670 (ядро Prescott) работает с частотой 3,8 ГГц и содержит 169 млн. транзисторов, преимущественно благодаря наличию кэш-памяти второго уровня L2 объемом 2 Мбайт. Двухъядерные процес­соры, содержащие два ядра и кэш-память на одной подложке, характеризуются еще большим количеством транзисторов. Процессор Intel Pentium D содержит 230 млн. транзисторов, а AMD Athlon 64 X2 — более 233 млн. Последние процессоры Core 2 Duo и Core 2 Quad содер­жат 291 и 582 млн. транзисторов соответственно; при этом в последний интегрирована кэш­память второго уровня объемом 8 Мбайт. Многоядерная архитектура и постоянно растущий объем кэш-памяти второго уровня приводят к постоянному росту количества транзисторов. Скоро эта отметка перевалит за один миллиард. Все это является практическим подтвержде­нием закона Мура, в соответствии с которым быстродействие процессоров и количество со­держащихся в них транзисторов удваивается каждые 1,5-2 года.

ПРИМЕЧАНИЕ В сфере выпуска микропроцессоров с фирмой Intel постоянно конкурирует фирма AMD. Микропроцессоры фирмы AMD выпуска 2003- 2004 годов (Athlon ХР, Athlon 64) мало в чем уступают процессорам Pentium 4, а в некоторых режимах работы даже превосходят последние по быстродействию. Но, как и прежде, МП AMD сильнее греются (их штатная температура — 55-80 °С, в то время, как у МП Pentium 30-60 °С), поэтому для них необходим мощный вентилятор и надежная система защиты от катастрофического перегрева. Все МП Pentium такой системой снабжены: у них имеется датчик, который при превышении температуры 120-130 °С мгновенно выключает МП, спасая его от «сгорания». У МП Pentium есть еще более совершенная система — Thermal Monitor, принудительно замедляющая работу микропроцессора при превышении допустимой температуры