Андрей Смирнов
Время чтения: ~30 мин.
Просмотров: 13

История развития процессоров: конец 80-х — начало 2000-х

Центральный процессор представляет из себя сложную интегральную схему, которая является одним из ключевых составляющих элементов современного ПК. Первые компьютеры появились примерно в 40-х годах прошлого века, работая на электромеханических реле и вакуумных лампах. Они обеспечивали функционирование первых вычислительных машин. В 60-х годах появились первые интегральные микросхемы которые на долгое время стали неотъемлемой частью любого вычислительного устройства. Началом эпохи современных CPU можно смело назвать 1971-й год.

Intel 4004

90851382760e4c7da8e93062676fff74.jpgПервым однокристальным микропроцессором считается 4-битный Intel 4004, вышедший 15 ноября 1971 года. Компания Intel только начинала свой путь становления и ее создатели, Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув, потратили немало сил на процесс развития. Благодаря вкладу итальянского физика Федерико Фаджина, инженерам компании удалось разместить ключевые компоненты на один чип и создать микропроцессор 4004. Intel 4004 производился по 10-мкм техпроцессу, насчитывал 2250 транзисторов и работал на частоте 108 кГц (проводил 92 600 операций в секунду). Частота синхронизации была 740 кГц. Объем памяти доходил до 4 Кб, разрядность шины — 4 бита. Площадь кристалла составляла 12 мм2.

Intel 8008

720038375851490282e8f4a372ba24e9.jpg В начале 70-х компания выпустила первый 8-битный центральный процессор Intel 8008. Он разрабатывался одновременно с 4004 под заказ для Computer Terminal Corporation (в последствии Datapoint). Но компания отказалась от CPU (как и от сотрудничества с Intel) из-за того, что процесс создания микросхемы вышел за пределы установленных сроков, а его характеристики не соответствовали ожиданиям. По технических характеристикам микропроцессор 8008 во многом соответствовал предыдущей версии. Он производился по тому же 10-мкм техпроцессу и содержал 3500 транзисторов. Внутренний стек поддерживал 8 уровней, а объем памяти был 16 Кб. Тактовая частота оказалась ниже, чем у 4004, она составляла 500 кГц. По скорости 8-битный процессор Intel отставал от 4-битного. Разрядность шины была 8-бит. Процессор мог обратиться к 8 портам ввода и 24 портам вывода.125cb7f2a85f4611a38548a9e6b8ec0b.jpg Одной из первых компьютерных систем на основе микропроцессора стал проект Sac State 8008 (1972 год). Это был полноценный микрокомпьютер с дисковой ОС, цветным дисплеем, ОЗУ 8 Кб и диском 3+2 Мб, клавиатурой, модемом, принтером. Он предназначался для обработки и хранения медицинских записей.

Intel 8080

95fb1378583f4912aba56032350daee9.jpg Весной 1974 года компания Intel выпустила усовершенствованную версию — 8-битный микропроцессор Intel 8080. Он производился по новому 6-мкм техпроцессу с использованием технологии NMOS, позволяющей разместить на кристалле 4758 транзисторов. Тактовая частота составляла 2 МГц (со временем 2,5 МГц, 3,1 МГц и 4 МГц), объем памяти — 64 Кб. Разрядность шины данных составляла 8-бит, а шины адреса — 16-бит. У 8080 была весьма развита система команд: 16 команд передачи данных, 31 команда для их обработки, 28 команд для перехода (с прямой адресацией), 5 команд управления. 2591864b04eb4e2b95087bee40caaa07.jpg За счет высокой производительности процессора пользовался успехом. На базе Intel 8080 компания MITS выпустила микрокомпьютер Altair-8800. Несмотря на скромные характеристики (256 байт оперативной памяти, отсутствие монитора и клавиатуры) он обрел небывалую популярность и раскупался очень быстро. Существовало немало клонов Intel 8080 от других компаний, таких, как National Semiconductor, NEC, Siemens и AMD. Был и советский аналог от Киевского НИИ микроприборов — микропроцессор КР580ВМ80А (1977 год).

Motorola 6800

7a3023a645f64384bcf56c2c66f15e39.jpg В 1974 году компания Motorola выпустила свой процессор — 6800. Кристалл производился по 6-мкм техпроцессу, с тактовой частотой 2 МГц и памятью 64 Кб. Использовалась технология N-МОП. Процессор имел 16-битную адресную шину и систему команд из 78 операций. Присутствовал индексный регистр. Motorola 6800 был весьма популярным, он применялся во многих ПК. На базе его архитектуры были созданы микроконтроллеры Motorola 6801 и 6803.

MOS Technology 6502

6ab6adffad9b4fc0b40d2c9c4562c9da.jpg В 1975 году компания MOS Technology представила 8-разрядный микропроцессор 6502. По сути, этот процессор был обновленной версией 6501, потерпевшей неудачу из-за совместимости по выводам с Motorola 6800. По характеристикам CPU уступал конкурентам 8080 и 6800. У него была 16-битная адресная шина, 64 Кб оперативной памяти. Тактовая частота составляла всего 1 МГц. Процессор имел CISC-архитектуру. Преимуществом данной модели была цена — всего $25 (в разы дешевле чем у Intel и Motorola). Это поспособствовало стремительному росту продаж процессора. 6502 использовался в таких ПК, как Apple I, Apple II, Commodore PET и т.д. Также процессоры данной серии нашел применение в видеоиграх, начиная с приставки Atari 2600, использующую модель 6507 с меньшим количеством выводов и возможностью адресации только 8 Кб памяти. MOS Technology предоставили лицензии компаниями Rockwell, Synertek на производство процессоров и применение 6502. Существовал советский аналог 4К602ВМ1.

Zilog Z80

812a261290474c54aeb90a30d5f33786.JPG Во второй половине 70-х из Intel ушел один из создателей микропроцессора, итальянец Федерико Фаджин. Объединившись с инженером Ральфом Уингерманном и японским инженером Масатоси Симой они основали компанию Zilog. И уже в начале лета 1976 года на рынок вышел процессор Zilog Z80, который по своей архитектуре напоминал улучшенный 8080. У микропроцессора был расширен набор команд, появились новые регистры, режимы прерываний, два отдельных блока регистров. Z80 производился по 3-мкм техпроцессу с использованием технологии КМОП, содержал 8500 транзисторов. Тактовая частота варьировалась в пределах 2,5 МГц — 8 МГц для основной версии и 1 МГц — 20 МГц для КМОП-версии. Объем памяти доходил до 64 Кб, с 16-битной адресной шиной. Размеры кристалла составляли 4,6 мм х 4,9 мм, с площадью 22,54 мм2. Помимо технических преимуществ, Z80 стоил к тому же дешевле интеловского процессора. CPU выходил в разных вариантах: Z80 (2,5 МГц), Z80A (4 МГц), Z80B (6 МГц) и Z80H (8 МГц). Применялся в компьютерах Sharp, NEC и других.

Intel 8086 и 8088

f77f3ac1723c496faa9ec720d072ec69.jpg В 1978 году компания Intel выпустила первый 16-битный микропроцессор 8086. Его разработка велась более двух лет. Процессор производился по 3-мкм техпроцессу, содержал 29 000 транзисторов. Объем памяти достигал 1 Мб. Тактовая частота составляла 4 МГц — 10 МГц, разрядность регистров и шины данных была 16 бит, а разрядность шины адреса — 20 бит. Intel 8086 отличался скоростью работы. В процессоре 8086 насчитывалось четырнадцать 16-разрядных регистров: 4 общего назначения (AX, BX, CX, DX), 2 индексных регистра (SI, DI), 2 указательных (BP, SP), 4 сегментных регистра (CS, SS, DS, ES), программный счётчик или указатель команды (IP) и регистр флагов (FLAGS, включает в себя 9 флагов). 3852fb562ad24dc6a84d826f5d3d739b.jpg Для увеличения продаж 8086 Intel выпустила процессор 8088, который во многом соответствовал предшественнику. Только уменьшилась ширина шины, с 16 бит до 8 бит. Подобное изменение позволило процессору работать с 8-разрядными микросхемами поддержки. Также несколько изменилась архитектура. В микропроцессоре Intel 8088 использовалась очередь упреждающей выборки длиной 4-байта, а не 6-байт. Процессор использовался в первой модели линейки IBM РС 5150 (1981 год). Многие крупные компании, вроде AMD, Siemens, NEC и других, клонировали 8088.

Zilog Z8000

8d34648f75904c86aec9cff6545f547a.png В 1979 году компания Zilog выпустила свой 16 битный микропроцессор Z8000. Он производился по 6-мкм — 3-мкм техпроцессу с количеством транзисторов 17500. Тактовая частота варьировалась от 4 МГц до 10 МГц для основной версии и от 4 МГц до 20 МГц для КМОП. Объем памяти достигал 8 Мб для Z8001 и 64 Кб для Z8002. Разрядность шины данных была 16 бит, а шины адреса — 23 бит (в версии Z8002 — 16 бит). Изначально были выпущены две версии процессора: Z8001 и Z8002. Их различия заключались лишь в том, что первый работал с адресацией до 8 Мб памяти, а второй — лишь до 64 Кб. Несколько позже появились модели Z8003 и Z8004, которые умели работать с виртуальной памятью. Процессоры Z8000 применялись в настольных Unix-компьютерах, позволяющих создавать настоящие многопользовательские системы.

Motorola 68000

35c6247fe52b425ebf1e58aaa05521a1.jpg Серия CISC-микропроцессоров Motorola 68000 (68к) была представлена в 1979 году. Кристалл имел 32-битное ядро, но работал посредством 16-битных шин данных и 24-разрядной шиной адресов. Его частота составляла 8 МГц — 20 МГц, а количество транзисторов насчитывало 68 000 штук. CPU производился в форм-факторе DIP с 64 контактами. Но также существовали модели с разъемами LCC и PGA. Процессор приобрел популярность у многих компаний и применялся в различных ПК. Но конечно, наиболее известными являются компьютеры Apple: Lisa и Macintosh.

Intel 80186

ebfd013b77ad4e3a8c06d781e14b960c.JPG Следующим процессором Intel стал 80186, в основе которого лежала архитектура 8086. Он производился по 3-мкм техпроцессу и содержал 134 000 транзисторов. Объем памяти составлял 1 Мб, разрядность шины данных была 16-бит, а шины адреса — 20-бит. Тактовая частота достигала 6 МГц — 25 МГц. В 80186 добавились новые команды: — два контроллера прямого доступа к памяти со схемами прерываний (DMA); — дешифраторы адреса; — трех-канальный программируемый таймер-счетчик; — генератор синхронизации; — программируемый контроллер прерываний. Процессоры мало применялись в компьютерах, только в некоторых моделях ПК, вроде Compis (Швеция), RM Nimbus (Великобритания), Unisys ICON (Канада), HP 200lx (США), и Tandy 2000 (США).

Intel 80286

a8c8a0926782466eac79ef3e25374018.jpg Следующая модель компании вышла в феврале 1982 года. Это был 16-битный x86-совместимый микропроцессор второго поколения 80286. Имелась поддержка реального режима. В защищенном режиме емкость адресного пространства могла составлять до 1 Гб за счет изменения механизма адресации памяти. По техническим характеристикам процессор превосходил предыдущую модель. Он выпускался по 1,5-мкм техпроцессу с количеством транзисторов в 134 000 штук. Объем оперативной памяти составлял 16 Мб, а в защищенном режиме можно было использовать до 1 Гб виртуальной памяти. Разрядность регистров и шины данных составляла 16-бит. В зависимости от модели, тактовая частота могла быть 6 МГц, 8 МГц, 10 МГц или 12,5 МГц (при 12,5 МГц процессор выполнял не менее 2,66 млн операций в секунду).

WDC W65C816S

a5458b033cff40a89f1f8b3e839eb815.jpg В 1984 году компания Western Design Center (WDC) выпустила 16-битный микропроцессор W65C816S. В модели была 24-битная адресация памяти и поддерживалось до 16 Мб памяти с произвольным доступом, а также присутствовал расширенный набор инструкций. Процессор применялся в компьютере Apple IIGS, а также системах Acorn Communicator и C-One.

Intel i386

В 1985 году вышел 32-битный процессор с архитектурой x86 третьего поколения Intel 80386 (или i386). Процессор сохранил обратную совместимость с 8086 и 80286. Производился по 1,5-мкм — 1,0-мкм техпроцессу. Через страничное преобразование процессор мог адресовать до 4 Гб физической памяти и до 64 Гб виртуальной памяти. Тактовая частота составляла 12 МГц — 40 МГц. Процессор Intel i386 представлялся в разных модификациях, отличающихся между собой производительностью, потребляемой мощностью, разъемами, корпусами и другими характеристиками. Модели: 386DX (DX — Double-word eXternal), 386SX, 386SL и 386EX (модификация процессора 386SX). Первым компьютером, использующим процессор, стал Compaq Deskpro 386. Также модель была первым 32-разрядным процессором для настольных и портативных IBM PC. У i386 было довольно много клонов, которые производились компаниями AMD, Cyrix и IBM. Топовая модель компании AMD была Am386DX, которая не уступала в производительности, стоила дешевле и имела тактовую частоту 40 МГц. Клоны компании Cyrix 86SLC и 486DLC также хорошо воспринялись пользователями. Наиболее известные клоны компании IBM были процессоры 386SLC и 386DLC, которые использовались в настольных компьютерах IBM PS/2 и PS/ValuePoint.

Intel i486

Следующие 32-битные процессоры компании, i486 (1989 год), были более производительны благодаря модернизации. CPU содержал почти 1,2 млн транзисторов (около половины отводилось для кэш-памяти). Чипы производились по 1-мкм техпроцессу, позже по 0,8-мкм и 0,6-мкм техпроцессам. Объем памяти составлял 4 Гб. Тактовая частота была 25 МГц — 50 МГц. Процессор дополнился: — кэш-памятью (8 Кб); — вычислительным конвейером, который занимался разделением обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий с сохранением результатов в конце каждой из них. Конвейер включал в себя выборку, декодирование, декодирование адресов операндов, выполнение команды и запись результата выполнения инструкции; — встроенным сопроцессором (модулем операций с плавающей запятой), помогающим выполнять математические операции над вещественными числами; — коэффициентом умножения (множителем). Разные компании также копировали Intel i486, как и предыдущие модели. Производством клонов занимались AMD, Cyrix, IBM, Texas Instruments и другие.

Motorola 68020, 68030, 68040

С 1984 по 1990 годы компания Motorola выпустила линейку своих 32-битных процессоров: 68020, 68030, 68040. «Пионер» i386 (68020) производился по 2-мкм техпроцессу и насчитывал 190 000 транзисторов. Его тактовая частота составляла 12 МГц — 33 МГц. 68020 стал первым процессором в линейке Motorola 68k со встроенной кэш-памятью первого уровня (объем 256 байт). Процессор применялся в компьютерах Apple: Macintosh II и Macintosh LC. В 1987 году в продаже появился 68030. В процессоре была динамическая шина данных, которая функционировала в 8-битных, 16-битных и 32-битных режимах. Появилось дополнительно 256 байт кэш-памяти первого уровня. Тактовая частота варьировалась от 16 МГц до 50 МГц. Motorola 68030 также применялся в компьютерах Apple Macintosh II и Commodore Amiga, в системах Next Cube, Sun 3/80, Atari TT и Atari Falcon. В 1990 году на рынок вышел процессор 68040. В нем появился встроенный сопроцессор. Объем кэша-памяти инструкций и кэш-памяти данных увеличился до 4 Кб. Принцип работы процессора основывался на вычислительных конвейерах, которые состояли из шести стадий. Тактовая частота достигала 40 МГц. Процессор 68040 стал основой High-End-системы Macintosh Quadra. Macintosh Centris и Performa также использовали процессоры семейства 68040.

DEC VAX

В период с 80-х по 90-е компания DEC выпустила целую серию 32-битных процессоров, которые базировались на собственной архитектуре VAX (32-битная компьютерная архитектура, была разработана Digital Equipment Corporation в рамках проекта Star). Первым в серии был MicroVAX 78032. Он изготавливался по 3-мкм техпроцессу и содержащий 125 000 транзисторов, работал на частоте 5 МГц. В 1987 году был представлен чипсет CVAX, тактовая частота которого составляла 11,11 МГц или 12,5 МГц. Производился процессор с помощью технологии CMOS первого поколения, общий объем кэш-памяти инструкций и данных составлял 1 Кб и поддерживалось 64 Кб внешней кэш-памяти.

NEC V60, V70, V80

Отдельного упоминания достойны процессоры внутреннего рынка Японии. Первый 32-битный процессор V60 был выпущен компанией NEC в 1986 году. Производился этот CPU по 1,5-мкм техпроцессу и насчитывал 375 000 транзисторов. Он использовал вычислительные конвейеры с шестью стадиями, а также имел встроенный сопроцессор и блок управления памятью. Тактовая частота достигала 16 МГц. В 1987 году вышел V70, который со временем начал производиться по 1,2-мкм техпроцессу. Тактовая частота составляла 20 МГц. При такой скорости работы производительность чипа доходила до 6,6 млн инструкций в секунду. И в 1989 году компания выпустила процессор V80. Эта модель уже имела кэш-память инструкций и кэш-память данных (объемом по 1 Кб). Производился кристалл по 0,8-мкм техпроцессу и содержал 980 000 транзисторов. V80 работал на частоте 25/33 МГц.

Процессоры на персональные компьютеры получились свое распространение в семидесятых годах прошлого столетия. Они выпускались большим количеством производителей. Практически каждой компании в то время, как собственно говоря и сейчас, хотелось использовать для их производства только самые новые технологии. Однако не у всех компаний получилось получить свое развитие настолько же сильно, как у Intel и AMD. Одни производители полностью пропали с рынка, другие же перешли в другую сферу деятельности. Однако следует рассказать  обо всем поэтапно.

intel vs amd

Как началось создание процессора

Впервые мир услышал о процессорах в пятидесятых годах прошлого столетия. Они функционировали на механическом реле. Впоследствии стали появляться модели, которые работали при помощи электронных ламп и транзисторов. В те времена компьютерные устройства, на которые они устанавливались, были похожи на сложное и очень крупногабаритное оборудование. Их стоимость была очень высокой.

Все компоненты процессоров отвечали за процесс вычисления. Нужно было разобраться с тем, каким образом, их можно было соединить в единую микросхему. Данная задумка воплотилась в жизнь практически сразу после появления схем полупроводникового типа. В те времена разработчики процессоров даже предположить не могли, что данные схемы окажутся полезными в их деле. Именно по этой причине еще несколько лет они разрабатывали процессоры на нескольких микросхемах.

В конце шестидесятых годов компания Busicom начала разработку своего нового настольного калькулятора. Ей потребовалось 12 микросхем и она заказала их у компании Intel. В то время у разработчиков данной компании появились идеи соединения нескольких микросхем в одно целое. Данная идея пришлась по душе руководителю фирмы. Ее преимущество заключалось в том, что  при этом была возможность значительно сэкономить. Ведь не нужно было производить сразу несколько микросхем. Кроме того благодаря расположению элементов процессора на одной микросхеме можно было создать устройство, которое подходило бы для использования на самых разных  видах оборудования, применяемых для совершения вычислительных процессов.

В итоге проведенной специалистами корпорации работы появился первый в мире микропроцессор под названием Intel 4004. У него была способность совершать сразу шесть десятков тысяч операций всего за одну секунду. Он даже обрабатывал двоичные числа. Однако данный вид процессора не было возможности использовать для компьютеров, потому что для него еще не было создано таких устройств.

процессор  Intel 4004

Самый первый персональный компьютер

Первым компьютер  был создан студентом из Америки Джонатаном Титусом. В журнале «Электроника» он получил название Марк 2. В нем кроме всего прочего было дано описание данного устройства. Данное изобретение не помогло студенту заработать большие деньги. Изначально Титус планировал зарабатывать при помощи своего изобретения. Он планировал распространять за определенную стоимость печатные платы для создания собственных компьютеров. Потребителям приходилось остальные детали приобретать в магазинах. Конечно же у него не получилось заработать много, но он внес большой вклад в развитие компьютерной техники.

История развития процессоров Intel

Первым процессором компании Intel был 4004. Позже данный разработчик представил пользователям модель 8008. Она отличалась от предыдущей модели тем, что частота работы данного процессора составляла от 600 до 800 килогерц. В нем было более трех тысяч транзисторов. Его активно использовали на всевозможных вычислительных машинах.

В то же самое время в мире стали появляться первые персональные компьютерные устройства и компания Intel приняла решение осуществлять производство процессоров, подходящих для них. Спустя короткий срок времени  компания разработала процессор 8080, который в десятки раз был более производительным, чем его предшественник.

Стоимость данной модели процессора была очень высокой по тем меркам. Однако производители полагали, что стоимость является совершенно оправданной для процессора, который обладает высоким уровнем производительности и способен отлично вписаться в любое компьютерное устройство. Он пользовался огромным спросом. Именно благодаря этому доходы компании только росли.

Спустя несколько лет на свет появился компьютер Altair – 8800. Его производителем стала компания MITS. Данная модель персонального компьютерного устройства осуществляла свою деятельность на процессоре от компании Intel модели 8800. Именно благодаря нему многочисленные компании стали осуществлять производство собственных микропроцессоров.

В то же самое время в СССР

В СССР стремительно развивалось производство различных видов вычислительных механизмов. Самый пик развития ЭВМ пришелся на семидесятые годы прошлого столетия. Они могли по своему уровню производительности вполне сравниться со своими зарубежными аналогами.

В 1970 году появился указ от отечественного руководства о том, что были разработаны стандарты совместимости программ и аппаратуры ЭВМ. В это время образовалась новая концепция вычислительной техники. В ее основу легли разработки IBM. Отечественные специалисты использовали технологию IBM 360.

Отечественные технологии, которые были разработаны в советские времена, потеряли свою актуальность. Вместо них стали использовать технологии импортного происхождения. Постепенно отечественная электронная отрасль стала значительно отставать от той, которая существовала на Западе. Все компьютерные устройства, которые были разработаны после восьмидесятых годов прошлого столетия осуществляли свою деятельность при помощи процессоров Zilog или Intel.  Россия стала отставать по своим технологиям от Америки почти на десятилетний период.

Эволюция процессоров

В середине семидесятых годов прошлого столетия компания Motorola представила суд пользователе свой первый процессор, который получил название MC6800. Он обладал высоким уровнем производительности. У него была возможность работать с шестнадцати битными числами. Его стоимость составляла столько же, что у процессора Intel 8080. Его потребители не очень то стремились покупать. Именно по этой причине он так и не стал использоваться для персональных компьютеров. Компании пришлось расстаться с четырьмя тысячами сотрудников из-за финансовых трудностей.

В 1975 году бывшими сотрудниками Motorola была создана новая компания под названием MOS Technology. Они разработали процессор MOS Technology 6501. Он по своим характеристикам напоминал разработку Motorola, которая обвинила компанию в плагиате. Позже сотрудники MOS постарались кардинально переделать свое детище и выпустили чип 6502. Его стоимость была гораздо приемлемей, и он начал пользоваться  огромным спросом. Его даже использовали для компьютерной техники Apple. Он имел принципиальное отличие от своего предшественника. У него уровень частоты работы был гораздо выше.

процессор  MOS Technology 6502

По пути уволенных сотрудников Motorola пошли и те, которые потеряли свое место в компании Intel. Они тоже создали компанию и запустили в производство свой процессор Zilog Z80. Он обладал не сильными отличиями от продукта Intel 8080. Он обладал единственной линией питания, и у него была приемлемая стоимость. Он мог функционировать с такими же программами.  К тому же производительность данного устройства можно было сделать выше, и при  этом не нужно было влияние оперативной памяти. Таким образом, Zilog начал пользоваться огромным спросом среди потребителей.

В России данная модель процессора применялась преимущественно в военной технике, в различных контроллерах и на многих других устройствах. Его даже использовали на разнообразных игровых приставках. В девяностых и восьмидесятых годах он пользовался огромной популярностью среди потребителей российского рынка.

Процессоры в фильме «Терминатор»

Фильм «Терминатор» полон моментов, когда робот  сканирует все происходящее перед ним. Перед его глазами образуются странные для зрителей коды. Через несколько лет становится очевидным тот факт, что появлению таких кодов создатели фильма обязаны компании MOS с ее процессором версии 6502. Это заставляет повеселиться разработчиков, которым кажется забавным ситуация, при которой в фильме про далекое будущее используется процессор семидесятых годов.

Эволюция процессоров Intel, Zilog, Motorola

В конце семидесятых годов компания Intel представила свою очередную новинку. Она получила название Intel 8086. Благодаря этому чипу все ближайшие преследователи компании на рынке остались далеко позади. Он обладал высоким уровнем мощности, но это дало ему возможности стать популярным. В нем использовалась 16 разрядная шина, которая обладал высоким уровнем стоимости. Для этого процессора необходимо было использовать специальные микросхемы и переделывать материнскую плату.

Затем компания выпустила свой более успешный продукт Intel 8088. В нем имелось более тридцати тысяч транзисторов.

Компания Motorola в то же время выпустила свой продукт MC68000. Он был одним из самых мощных на то время. Для его использования необходимо было иметь специальные микросхемы. Однако он все равно пользовался большим спросом среди потребителей. Он предлагал пользователям огромные возможности для его использования.

В это же время компания Zilog тоже представила пользователям свою новую разработку. Она создала процессор Z8000. Данная новинка до сих пор вызывает большое количество споров. По своим техническим параметрам она была приемлемой и ее стоимость была низкой. Однако не многие пользователи хотели использовать ее на своих компьютерных устройствах.

Процессоры нового поколения от компании Intel

В начале 1993 года компания Intel представила свой процессор P5. Сегодня он известен под названием Pentium. Компании удалось усовершенствовать технологии, которые она раньше использовала для создания своих продуктов. Теперь их новинка обладала способностью справляться сразу с двумя задачами одновременно. Пропускная разрядность шины стала больше практически в два раза. Однако пользоваться данным процессором пользователи в полной мере не имели возможности, потому что для него необходимо было иметь специальную материнскую плату. Однако после выхода следующей модели процессора Pentium, ситуация стала совершенно другой.

Именно благодаря высоким технологиям чипы от производителя Intel стали пользоваться огромной популярностью у потребителей. Они занимали длительное время первые места в мире.

Недорогие разработки  Intel

Для того чтобы в полной мере соперничать с компанией AMD в области доступных по цене процессоров разработчики Intel приняли решение не уменьшать стоимость своих товаров, а стали создавать не очень мощные процессоры, которые в скором времени стали называться Celeron. В 1998 году появилась первая такая маломощная модель процессора Celeron, работающая на ядре процессора Pentium второго поколения. Она не отличалась высоки уровнем производительности. Однако она вполне могла работать с технологическими новинками.

Эволюция процессоров AMD

Компания AMD впервые запустила в производство процессоры в 1974 году. Ее первым процессором стала модель AMD 9080. Он полностью копировал все технические параметры Intel 8080. Однако в это же самое время компания создала уникальные микросхемы, которые можно было применять на цифровом оборудовании. Они получили название AM 2900. В девяностых годах их перестали производить.

Те годы славятся тем, что разработчики компьютерной техники стали использовать x86 процессоры. Компании AMD пришлось подстраиваться под новые требования, и она начала работу над созданием новых моделей процессоров. Первой ее моделью процессора такого плана стала разработка AMD K5. Данный процессор обладал большим уровнем производительности, чем Intel Pentium.

Через некоторое время компания AMD выкупила фирму NexGen, которая помогла ей запустить в производство чип модели K6. Для его производства было использовано огромное количество самых современных технологий. По своему уровню данная разработка вполне могла конкурировать со вторым поколением процессора Intel Pentium 2.

Главные конкуренты

Следует отметить, что среди всех компаний на рынке процессоров осталось всего два лидера, которые были представлены Intel и AMD. Они обе могут занимать лидирующее положение на рынке, потому что они дали большой толчок для развития новых технологий для производства качественных процессоров. 

ТвитнутьПоделитьсяПлюсанутьПоделитьсяКласснутьСегодня имеется на рынке большой ассортимент процессоров для самых разных моделей компьютеров. Однако не многие пользователи знают о том, что ранее они имели на такие миниатюрные габариты. Благодаря некоторым компаниям они стали такими, какими мы их сейчас видим. Комплектующие4.8114 Идёт загрузка…Запрос «ЦП» перенаправляется сюда; см. также другие значения.im244-300px-AMD_Phenom_II_X4_840_%28HDX840WFK42GM%29_CPU-top_oblique_PNr%C2%B00373.jpgAMD Phenom II X4 840, вид сверху.im274-320px-Intel_CPU_Core_i7_2600K_Sandy_Bridge_bottom.jpgIntel Core i7 2600K Socket LGA1155, вид снизу, контактные площадки текстолитовой платформы

Центра́льный проце́ссор (ЦП; также центра́льное проце́ссорное устро́йство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок, либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечениякомпьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров), и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных и даже единственных в своём роде компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и мини-компьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где, помимо вычислительного устройства, на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

История

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платы, устанавливаемые в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора.

Сейчас слова «микропроцессор» и «процессор» практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё, по крайней мере, 10—15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц[1] и стоил 300 долл.

Далее его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешевый 8088, упрощенная версия 8086, с 8-разрядной шиной данных.

Затем последовала его модификация, 80186.

В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.

Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры, как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

Архитектура фон Неймана

Основная статья: Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основано на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого Джоном фон Нейманом.

Дж. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов.

Этапы цикла выполнения:

  1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистресчётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения.
  2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных и сообщает о готовности.
  3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её.
  4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Конвейерная архитектура

Основная статья: Вычислительный конвейер

Конвейерная архитектура (англ. pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

  • получение и декодирование инструкции,
  • адресация и выборка операнда из ОЗУ,
  • выполнение арифметических операций,
  • сохранение результата операции.

После освобождения <math><semantics><mrow><mstyle><mi>k</mi></mstyle></mrow><annotation>{displaystyle k}</annotation></semantics></math>im274-360px-Wafer_with_Pentium_chips.jpg

8-дюймовая кремниевая пластина с несколькими чипамиОсновная статья: Технологический процесс в электронной промышленности

Следующим, после этапа проектирования, является создание прототипа кристалла микропроцессора. При изготовлении современных сверхбольших интегральных схем используется метод литографии. При этом на подложку будущего микропроцессора (тонкий круг из монокристаллического кремния либо сапфира) через специальные маски, содержащие прорези, поочерёдно наносятся слои проводников, изоляторов и полупроводников. Соответствующие вещества испаряются в вакууме и осаждаются сквозь отверстия маски на кристалле процессора. Иногда используется травление, когда агрессивная жидкость разъедает не защищённые маской участки кристалла. Одновременно на подложке формируется порядка сотни процессорных кристаллов. В результате появляется сложная многослойная структура, содержащая от сотен тысяч до миллиардов транзисторов. В зависимости от подключения транзистор работает в микросхеме как транзистор, резистор, диод или конденсатор. Создание этих элементов на микросхеме отдельно, в общем случае, невыгодно. После окончания процедуры литографии подложка распиливается на элементарные кристаллы. К сформированным на них контактным площадкам (из золота) припаиваются тонкие золотые проводники, являющиеся переходниками к контактным площадкам корпуса микросхемы. Далее, в общем случае, крепится теплоотвод кристалла и крышка микросхемы.

Затем начинается этап тестирования прототипа процессора, когда проверяется его соответствие заданным характеристикам, ищутся оставшиеся незамеченными ошибки. Только после этого микропроцессор запускается в производство. Но даже во время производства идёт постоянная оптимизация процессора, связанная с совершенствованием технологии, новыми конструкторскими решениями, обнаружением ошибок.

Следует отметить, что параллельно с разработкой универсальных микропроцессоров разрабатываются наборы периферийных схем ЭВМ, которые будут использоваться с микропроцессором и на основе которых создаются материнские платы. Разработка микропроцессорного набора (чипсета, англ. chipset) представляет задачу, не менее сложную, чем создание собственно микросхемы микропроцессора.

В последние несколько лет наметилась тенденция переноса части компонентов чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в состав процессора (подробнее см.: Система на кристалле).

Энергопотребление процессоров

С технологией изготовления процессора тесно связано и его энергопотребление.

Первые процессоры архитектуры x86 потребляли очень маленькое (по современным меркам) количество энергии, составляющее доли ватта. Увеличение количества транзисторов и повышение тактовой частоты процессоров привело к существенному росту данного параметра. Наиболее производительные модели потребляют 130 и более ватт. Фактор энергопотребления, несущественный на первых порах, сейчас оказывает серьёзное влияние на эволюцию процессоров:

  • совершенствование технологии производства для уменьшения потребления, поиск новых материалов для снижения токов утечки, понижение напряжения питания ядра процессора;
  • появление сокетов (разъемов для процессоров) с большим числом контактов (более 1000), большинство которых предназначено для питания процессора. Так, у процессоров для популярного сокета LGA775 число контактов основного питания составляет 464 штуки (около 60 % от общего количества);
  • изменение компоновки процессоров. Кристалл процессора переместился с внутренней на внешнюю сторону для лучшего отвода тепла к радиатору системы охлаждения;
  • интеграция в кристалл температурных датчиков и системы защиты от перегрева, снижающей частоту процессора или вообще останавливающей его при недопустимом увеличении температуры;
  • появление в новейших процессорах интеллектуальных систем, динамически меняющих напряжение питания, частоту отдельных блоков и ядер процессора, и отключающих неиспользуемые блоки и ядра;
  • появление энергосберегающих режимов для «засыпания» процессора при низкой нагрузке.

Рабочая температура процессора

Ещё один параметр ЦП — максимально допустимая температура полупроводникового кристалла (TJMax) или поверхности процессора, при которой возможна нормальная работа. Многие бытовые процессоры работоспособны при температурах поверхности (кристалла) не выше 85 °C[7][8]. Температура процессора зависит от его загруженности и от качества теплоотвода. При температуре, превышающей максимально допустимую производителем, нет гарантии, что процессор будет функционировать нормально. В таких случаях возможны ошибки в работе программ или зависание компьютера. В отдельных случаях возможны необратимые изменения внутри самого процессора. Многие современные процессоры могут обнаруживать перегрев и ограничивать собственные характеристики в этом случае.

Тепловыделение процессоров и отвод тепла

Для теплоотвода от микропроцессоров применяются пассивные радиаторы и активные кулеры.

Измерение и отображение температуры микропроцессора

Для измерения температуры микропроцессора, обычно внутри микропроцессора, в области центра крышки микропроцессора устанавливается датчик температуры микропроцессора. В микропроцессорах Intel датчик температуры — термодиод или транзистор с замкнутыми коллектором и базой в качестве термодиода, в микропроцессорах AMD — терморезистор.

Производители

Наиболее популярные процессоры сегодня производят:

  • для персональных компьютеров, ноутбуков и серверов – Intel и AMD;
  • для суперкомпьютеров – Intel и IBM;
  • для ускорителей компьютерной графики и высопроизводительных вычислений NVIDIA и AMD
  • для мобильных телефонов и планшетов[9] – Apple, Samsung, HiSilicon и Qualcomm.

Большинство процессоров для персональных компьютеров, ноутбуков и серверов Intel-совместимы по системе команд. Большинство процессоров, используемых в настоящее время в мобильных устройствах ARM-совместимы, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования разрабатываемые в компании ARM Limited.

Процессоры Intel: 8086, 80286, i386, i486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core i3, Core i5, Core i7, Core i9, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др.

AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 — Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.). Процессоры IBM (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple.

По данным компании IDC, по итогам 2009 года на рынке микропроцессоров для настольных ПК, ноутбуков и серверов доля корпорации Intel составила 79,7 %, доля AMD — 20,1 %[10].

Рыночные доли продажи процессоров для персональных компьютеров, ноутбуков и серверов по годам:

Год Intel AMD Другие
2007 78,9 % 13,1 % 8,0 %
2008 80,4 % 19,3 % 0,3 %
2009 79,7 % 20,1 % 0,2 %
2010 80,8 % 18,9 % 0,3 %
2011[11] 83,7 % 10,2 % 6,1 %
2012 65,3 % 6,4 % 28,3 %
2018[12] 77,1 % 22,9 % 0 %
2019[13] 69,2 % 30,8 % 0 %

СССР/Россия

Основные статьи: Электронная промышленность России и МЦСТ

Китай

  • Семейство Loongson (Godson)
  • Семейство ShenWei (SW)
  • Семейство YinHeFeiTeng (FeiTeng)

Япония

Программирование</th>

  • JTAG
  • C2
  • Программатор
  • Ассемблер
  • Прерывание
  • MPLAB
  • AVR Studio
  • MCStudio

</td>modif.png Эта страница в последний раз была отредактирована 6 декабря 2019 в 16:13. Используемые источники:

  • https://habr.com/post/387347/
  • http://brainfart.ru/istoriya-sozdaniya-proczessorov/
  • https://wiki2.org/ru/центральный_процессор

</tr>

Рейтинг автора
5
Подборку подготовил
Андрей Ульянов
Наш эксперт
Написано статей
168
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации