История создания процессоров. Каким он был — самый первый компьютер в мире

История развития процессоров

Основные характеристики процессоров и ЭВМ

Характеристики ЭВМ:

· Быстродействие – количество операций в секунду.

· Ёмкость (объём памяти) – предельное количество информации.

· Точность вычислений – количество разрядов, используемых для представления одного числа.

· Система команд – перечень команд, которые способен выполнить процессор.

· Надёжность

Характеристики процессора:

· Тактовая частота

· Производительность

· Энергопотребление

· Нормы литографического процесса

· Архитектура

Базовая архитектура процессора (основные регистры и их назначение)

Счетчик команд (СК) служит для организации обращений к ячейкам памяти, в которых хранятся команды программы. После исполнения любой команды СК указывает адрес ячейки памяти, содержащей следующую команду программы. Так как команды могут размещаться в любой из 2048 = 211 ячеек памяти, то СК имеет 11 разрядов.

Регистр адреса (РА) 11-разрядный регистр, содержащий значение исполнительного адреса (адреса ячейки памяти, к которой обращается ЭВМ за командой или данными).

Регистр команд (РК). Этот 16-разрядный регистр используется для хранения кода команды, непосредственно выполняемой машиной.

Регистр данных (РД). Используется для временного хранения 16-рязрядных слов при обмене информацией между памятью и процессором.

Аккумулятор (А). 16-разрядный регистр, являющийся одним из главных элементов процессора. Машина может одновременно выполнять арифметические и логические операции только с одним или двумя операндами. Один из операндов находится в аккумуляторе, а второй (если их два) - в регистре данных. Результат помещается в А.

Регистр переноса (С) - это одноразрядный регистр, выступающий в качестве продолжения аккумулятора и заполняющийся при переполнении А. Этот регистр используется при выполнении сдвигов.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) может выполнять такие арифметические операции, как сложение и сложение с учетом переноса, полученного в результате выполнения предыдущей операции. Кроме того, оно способно выполнять операции логического умножения, инвертирования, циклического сдвига.

Система команд базовой ЭВМ

Классификация команд. ЭВМ способна понимать и выполнять точно определенный набор команд. При составлении программы пользователь ограничен этими командами. В зависимости от того, к каким блокам базовой ЭВМ обращается команда или на какие блоки она ссылается, команды можно разделить на три группы:

· обращения к памяти (адресные команды);

· обращения к регистрам (регистровые или безадресные команды);

· команды ввода-вывода.

Команды обращения к памяти предписывают машине производить действия с содержимым ячейки памяти, адрес которой указан в адресной части команды.

Безадресные команды выполняют различные действия без ссылок на ячейку памяти. Например, команда CLA (табл. 1.1) предписывает ЭВМ очистить аккумулятор (записать в А код нуля). Это команда обработки операнда, расположенного в конкретном месте, "известном" машине. Другой пример безадресной команды - команда HLT.

Команды ввода-вывода осуществляют обмен данными между процессором и внешними устройствами ЭВМ.

Асинхронный обмен данными

Программа такого обмена строится так: сначала проверяется готовность ВУ к обмену и если оно готово, то дается команда на обмен. ВУ сообщает о готовности установкой флага.

Легко заметить, что при асинхронном обмене ЭВМ должна тратить время на ожидание момента готовности, а так как готовность проверяется командным путем (команда TSF), то в это время ЭВМ не может выполнять никакой другой работы по преобразованию данных.

Основные понятия защищенного режима

Защищенный режим предназначен для обеспечения независимости выполнения нескольких задач, что подразумевает защиту ресурсов одной задачи от возможного воздействия другой задачи (под задачами подразумеваются как прикладные, так и задачи операционной системы).

Основным защищаемым ресурсом является память, в которой хранятся коды, данные и различные системные таблицы (например, таблица прерываний). Защищать требуется и совместно используемую аппаратуру, обращение к которой обычно происходит через операции ввода-вывода и прерывания. В защищенном режиме процессор 80286 аппаратно реализует многие функции защиты, необходимые для построения супервизора многозадачной ОС, поддерживая и механизм виртуальной памяти.

Сегментация, дескрипторы

Защита памяти основана на использовании сегментации. Сегмент - это блок адресного пространства памяти определенного назначения. К элементам сегмента возможно обращение с помощью различных инструкций процессора, использующих разные режимы адресации для формирования адреса в пределах сегмента. Максимальный размер сегмента для процессоров 8086 и80286 составлял 64 Кб, в 32-разрядных процессорах этот предел отодвигается до 4 Гб. Сегменты памяти выделяются задачам операционной системой, но в реальном режиме любая задача может переопределить значение сегментных регистров, задающих положение сегмента в пространстве памяти, и “залезть” в чужую область данных или кода. В защищенном режиме сегменты тоже распределяются операционной системой, но прикладная программа сможет использовать только разрешенные для нее сегменты памяти, выбирая их с помощью селекторов из предварительно сформированныхтаблиц дескрипторов сегментов. Селекторы представляют собой 16-битные указатели, загружаемые в сегментные регистры процессора.

Дескрипторы - это структуры данных, используемые для определения свойств программных элементов (сегментов, вентилей и таблиц). Дескриптор определяет положение элемента в памяти, размер занимаемой им области (лимит), его назначение и характеристики защиты. Защита памяти с помощью сегментации не позволяет:

Использовать сегменты не по назначению (например, пытаться трактовать область данных как коды инструкций);

Нарушать права доступа (пытаться модифицировать сегмент, предназначенный только для чтения, обращаться к сегменту, не имея достаточных привилегий, и т. п.);

Адресоваться к элементам, выходящим за лимит сегмента;

Изменять содержимое таблиц дескрипторов (то есть параметров сегментов), не имея достаточных привилегий.

Переключение задач

Защищенный режим предоставляет средствапереключения задач. Состояние каждой задачи (значение всех связанных с ней регистров процессора) может быть сохранено в специальном сегменте состояния задачи (TSS), на который указывает селектор в регистре задачи. При переключении задач достаточно загрузить новый селектор в регистр задачи, и состояние предыдущей задачи автоматически сохранится в ее TSS, а в процессор загрузится состояние новой (возможно, и ранее прерванной) задачи и начнется (продолжится) ее выполнение.

Обмен данными по прерыванию

Аппаратные прерывания вызываются внешними устройствами и теми компонентами компьютера, которые требуют немедленной обработки своей информации и приходят асинхронно по отношению к исполняемой программе. Прерывание можно рассматривать как некоторое особое событие в системе, которое заставляет процессор приостановить выполнение своей программы для реализации некоторой затребованной деятельности. Программные обработчики аппаратных прерываний инициализируют блочный обмен или выполняют одиночную операцию пересылки по системной шине с внешним устройством. Практически это основной способ инициализации обмена. Прерывания существенно увеличивают эффективность вычислительной системы, поскольку они позволяют внешним устройствам "обращать на себя внимание" процессора только по мере надобности.

Основные понятия и концепции ввода-вывода. Режимы управления вводом-выводом

Программирование ввода-вывода является наиболее сложным и трудоемким, требующим очень высокой квалификации. Поэтому код, реализующий операции ввода-вывода, сначала стали оформлять в виде системных библиотечных процедур, а потом и вовсе вывели из систем программирования, включив в операционную систему. Это позволило не писать такой код в каждой программе, а только обращаться к нему - системы программирования стали генерировать обращения к системному коду ввода-вывода. Таким образом, управление вводом-выводом - это одна из основных функций любой операционной системы.

Самым главным является следующий принцип: любые операции по управлению вводом-выводом объявляются привилегированными и могут выполняться только кодом самой операционной системы. Для обеспечения этого принципа в большинстве процессоров даже вводятся режимы пользователя и супервизора. Последний еще называют привилегированным режимом, или режимом ядра. Как правило, в режиме супервизора выполнение команд ввода-вывода разрешено, а в пользовательском режиме - запрещено. Обращение к командам ввода-вывода в пользовательском режиме вызывает исключение, и управление через механизм прерываний передается коду операционной системы. Хотя возможны и более сложные схемы, в которых в ряде случаев пользовательским программам может быть разрешено непосредственное выполнение команд ввода-вывода.

Как известно, имеется два основных режима ввода-вывода: режим обмена с опросом готовности устройства ввода-вывода и режим обмена с прерываниями.

1)Режим обмена с прерываниями по своей сути является режимом асинхронного управления. Для того чтобы не потерять связь с устройством (после выдачи процессором очередной команды по управлению обменом данными и переключения его на выполнение других программ), может быть запущен отсчет времени, в течение которого устройство обязательно должно выполнить команду и выдать-таки сигнал запроса на прерывание. Максимальный интервал времени, в течение которого устройство ввода-вывода или его контроллер должны выдать сигнал запроса на прерывание, часто называют установкой тайм-аута. Если это время истекло после выдачи устройству очередной команды, а устройство так и не ответило, то делается вывод о том, что связь с устройством потеряна и управлять им больше нет возможности. Пользователь и/или задача получают соответствующее диагностическое сообщение.

2)Устройство ввода-вывода (или его устройство управления) выдает сигнал готовности, который сообщает процессору о том, что можно выдать новую команду для продолжения обмена данными. Однако поскольку быстродействие устройства ввода-вывода намного меньше быстродействия центрального процессора (порой на несколько порядков), то сигнал готовности приходится очень долго ожидать, постоянно опрашивая соответствующую линию интерфейса на наличие или отсутствие нужного сигнала. Посылать новую команду, не дождавшись сигнала готовности, сообщающего об исполнении предыдущей команды, бессмысленно. В режиме опроса готовности драйвер, управляющий процессом обмена данными с внешним устройством, как раз и выполняет в цикле команду «проверить наличие сигнала готовности». До тех пор пока сигнал готовности не появится, драйвер ничего другого не делает. При этом, естественно, нерационально используется время центрального процессора. Гораздо выгоднее, выдав команду ввода-вывода, на время забыть об устройстве ввода-вывода и перейти на выполнение другой программы. А появление сигнала готовности трактовать как запрос на прерывание от устройства ввода-вывода. Именно эти сигналы готовности и являются сигналами запроса на прерывание

Сигналы AWARD BIOS

Сигналов нет. Неисправен или не подключен к материнской плате блок питания.
Непрерывный сигнал. Неисправен блок питания.
1 короткий. Ошибок не обнаружено.
2 коротких. Обнаружены незначительные ошибки. На экране монитора появляется предложение войти в программу CMOS Setup Utility и исправить ситуацию. Проверьте надежность крепления шлейфов в разъемах жесткого диска и материнской платы.
3 длинных. Ошибка контроллера клавиатуры. Перегрузите компьютер.
1 длинный+1 короткий. Проблемы с оперативной памятью.
1 длинный+2 коротких. Проблема с видеокартой -- наиболее часто встречающаяся неисправность. Рекомендуется вытащить плату и заново вставить. Также проверьте подключение монитора.
1 длинный+3 коротких. Возникла ошибка инициализации клавиатуры. Проверьте качество соединения последней с разъемом на материнской плате.
1 длинный+9 коротких. Возникла ошибка при чтении данных из микросхемы постоянной памяти. Перегрузите компьютер или перепрошейте содержимое микросхемы.
1 длинный повторяющийся. Неправильная установка модулей памяти.
1 короткий повторяющийся. Проблемы с блоком питания. Попробуйте убрать накопившуюся в нем пыль.

Доступ к памяти

§ DMA - доступ к памяти, в этом режиме основной памятью считается встроенная видеопамять на карте, текстуры копируются туда перед использованием из системной памяти компьютера. Этот режим работы не был новым, по тому же принципу работают звуковые карты, некоторые контроллеры и т. п.

§ DME - в этом режиме основная и видеопамять находятся как бы в общем адресном пространстве. Общее пространство эмулируется с помощью таблицы отображения адресов блоками по 4 Кб. Таким образом копировать данные из основной памяти в видеопамять уже не требуется, этот процесс называют AGP-текстурированием.

Очередь запросов:

Передача данных из основной памяти в видеопамять карты осуществляется в два этапа, сначала передаётся 64-битный адрес, откуда данные нужно считать, затем идут сами данные. Шина AGP предусматривает два варианта передачи:

§ первый - совместим с шиной PCI - запросы данных и адреса происходят по одному каналу;

§ второй - в режиме SBA (SideBand Addressing), по отдельной боковой шине, таким образом, можно посылать запросы на новые данные, не дожидаясь получения предыдущих.

Первое поколение

Ранние компьютерные шины были группой проводников, подключающей компьютерную память и периферию к процессору. Почти всегда для памяти и периферии использовались разные шины, с разным способом доступа, задержками, протоколами.

Одним из первых усовершенствований стало использование прерываний. До их внедрения компьютеры выполняли операции ввода-вывода в цикле ожидания готовности периферийного устройства. Это было бесполезной тратой времени для программ, которые могли делать другие задачи. Также, если программа пыталась выполнить другие задачи, она могла проверить состояние устройства слишком поздно и потерять данные. Поэтому инженеры дали возможность периферии прерывать процессор. Прерывания имели приоритет, так как процессор может выполнять только код для одного прерывания в один момент времени, а также некоторые устройства требовали меньших задержек, чем другие.

Некоторое время спустя компьютеры стали распределять память между процессорами. На них доступ к шине также получил приоритеты.

Классический и простой способ обеспечить приоритеты прерываний или доступа к шине заключался в цепном подключении устройств.

Второе поколение

Компьютерные шины «второго поколения», например NuBus

Решали некоторые из вышеперечисленных проблем. Они обычно разделяли компьютер на две «части», процессор и память в одной и различные устройства в другой. Между частями устанавливался специальный контроллер шин (bus controller ). Такая архитектура позволила увеличивать скорость процессора без влияния на шину, разгрузить процессор от задач управления шиной. При помощи контроллера устройства на шине могли взаимодействовать друг с другом без вмешательства центрального процессора. Новые шины имели лучшую производительность, но также требовали более сложных карт расширения. Проблемы скорости часто решались увеличением разрядности шины данных, с 8-ми битных шин первого поколения до 16 или 32-х битных шин во втором поколении. Также появилась программная настройка устройств для упрощения подключения новых устройств, ныне стандартизованная как Plug-n-play.

Однако новые шины, так же как и предыдущее поколение, требовали одинаковых скоростей от устройств на одной шине. Процессор и память теперь были изолированы на собственной шине и их скорость росла быстрее, чем скорость периферийной шины. В результате, шины были слишком медленны для новых систем и машины страдали от нехватки данных.

Третье поколение

Шины «третьего поколения» обычно позволяют использовать как большие скорости, необходимые для памяти, видеокарт и межпроцессорного взаимодействия, так и небольшие при работе с медленными устройствами, например, приводами дисков. Также они стремятся к большей гибкости в терминах физических подключений, позволяя использовать себя и как внутренние и как внешние шины, например для объединения компьютеров. Это приводит к сложным проблемам при удовлетворении различных требований, так что большая часть работ по данным шинам связана с программным обеспечением, а не с самой аппаратурой. В общем, шины третьего поколения больше похожи на компьютерные сети, чем на изначальные идеи шин, с большими накладными расходами, чем у ранних систем. Также они позволяют использовать шину нескольким устройствам одновременно.

Прерывание (англ. interrupt ) - сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается и управление передаётся обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его, после чего возвращает управление в прерванный код.

В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на:

§ асинхронные или внешние (аппаратные) - события, которые исходят от внешних источников (например, периферийных устройств) и могут произойти в любой произвольный момент: сигнал от таймера, сетевой карты или дискового накопителя, нажатие клавиш клавиатуры, движение мыши. Факт возникновения в системе такого прерывания трактуется как запрос на прерывание

§ синхронные или внутренние - события в самом процессоре как результат нарушения каких-то условий при исполнении машинного кода: деление на ноль или переполнение, обращение к недопустимым адресам или недопустимый код операции;

§ программные (частный случай внутреннего прерывания) - инициируются исполнением специальной инструкции в коде программы. Программные прерывания как правило используются для обращения к функциям встроенного программного обеспечения (firmware), драйверов и операционной системы.

Термин «ловушка» (англ. trap ) иногда используется как синоним термина «прерывание» или «внутреннее прерывание». Как правило, словоупотребление устанавливается в документации производителя конкретной архитектуры процессора.

В зависимости от возможности запрета внешние прерывания делятся на:

§ маскируемые - прерывания, которые можно запрещать установкой соответствующих битов в регистре маскирования прерываний (в x86-процессорах - сбросом флага IF в регистре флагов);

§ немаскируемые (англ. Non maskable interrupt, NMI ) - обрабатываются всегда, независимо от запретов на другие прерывания. К примеру, такое прерывание может быть вызвано сбоем в микросхеме памяти.

Обработчики прерываний обычно пишутся таким образом, чтобы время их обработки было как можно меньшим, поскольку во время их работы могут не обрабатываться другие прерывания, а если их будет много (особенно от одного источника), то они могут теряться.

До окончания обработки прерывания обычно устанавливается запрет на обработку этого типа прерывания, чтобы процессор не входил в цикл обработки одного прерывания. Приоритезация означает, что все источники прерываний делятся на классы и каждому классу назначается свой уровень приоритета запроса на прерывание. Приоритеты могут обслуживаться как относительные и абсолютные.

§ Относительное обслуживание прерываний означает, что если во время обработки прерывания поступает более приоритетное прерывание, то это прерывание будет обработано только после завершения текущей процедуры обработки прерывания.

§ Абсолютное обслуживание прерываний означает, что если во время обработки прерывания поступает более приоритетное прерывание, то текущая процедура обработки прерывания вытесняется, и процессор начинает выполнять обработку вновь поступившего более приоритетного прерывания. После завершения этой процедуры процессор возвращается к выполнению вытесненной процедуры обработки прерывания.

Программное прерывание - синхронное прерывание, которое может осуществить программа с помощью специальной инструкции.

SCSI - представляет собой набор стандартов для физического подключения и передачи данных между компьютерами и периферийными устройствами. SCSI стандарты определяют команды, протоколы и электрические и оптические интерфейсы. Разработан для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жёсткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стримеры, сканеры, принтеры и т. д.

SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях; RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом (однако, в серверах нижнего ценового диапазона всё чаще применяются RAID-массивы на основе SATA). В настоящее время устройства на шине SAS постепенно вытесняют устаревшую шину SCSI.

Система команд SCSI на уровне программного обеспечения употребляется в единых стеках поддержки устройств хранения данных в ряде операционных систем, таких, как Microsoft Windows.

Существует реализация системы команд SCSI поверх оборудования (контроллеров и кабелей) IDE/ATA/SATA, называемая ATAPI - ATA Packet Interface. Все используемые в компьютерной технике подключаемые по IDE/ATA/SATA приводы CD/DVD/Blu-Ray используют эту технологию.

Также система команд SCSI реализована поверх протокола USB, что является частью спецификации класса Mass Storage device. Это позволяет подключать через интерфейс USB любые хранилища данных (от флеш-накопителей до внешних жёстких дисков), не разрабатывая для них собственного протокола обмена, а вместо этого используя имеющийся в операционной системе драйвер SCSI.

В терминологии SCSI взаимодействие идёт между инициатором и целевым устройством. Инициатор посылает команду целевому устройству, которое затем отправляет ответ инициатору.

Команды SCSI посылаются в виде блоков описания команды (англ. Command Descriptor Block, CDB ). Длина каждого блока может составлять 6, 10, 12, 16 или 32 байта. В последних версиях SCSI блок может иметь переменную длину. Блок состоит из однобайтового кода команды и параметров команды.

После получения команды целевое устройство возвращает значение 00h в случае успешного получения, 02h в случае ошибки или 08h в случае, если устройство занято. В случае, если устройство вернуло ошибку, инициатор обычно посылает команду запроса состояния. Устройство возвращает Key Code Qualifier (KCQ).

Все команды SCSI делятся на четыре категории: N (non-data), W (запись данных от инициатора целевым устройством), R (чтение данных) и B (двусторонний обмен данными). Всего существует порядка 60 различных команд SCSI, из которых наиболее часто используются:

§ Test unit ready - проверка готовности устройства, в том числе наличия диска в дисководе.

§ Inquiry - запрос основных характеристик устройства.

§ Send diagnostic - указание устройству провести самодиагностику и вернуть результат.

§ Request sense - возвращает код ошибки предыдущей команды.

§ Read capacity - возвращает ёмкость устройства.

§ Read (4 варианта) - чтение.

§ Write (4 варианта) - запись.

§ Write and verify - запись и проверка.

§ Mode select - установка параметров устройства.

§ Mode sense - возвращает текущие параметры устройства.

Каждое устройство на SCSI-шине имеет как минимум один номер логического устройства (LUN - англ. Logical Unit Number ). В некоторых более сложных случаях одно физическое устройство может представляться набором LUN.

Для возможности работы нескольких независимых целевых устройств SCSI, в UNIX-подобных операционных системах применяется адресация из произвольно назначаемого драйвером идентификатора целевого устройства (SCSI target id) и номера LUN, сконфигурированного на нём.

Для устройств типа приводов CD/DVD/Blu-Ray, в том числе их разновидностей с возможностью записи, разработан MMC - Multimedia Command Set. Некоторые приводы, например, производства Asus и Pioneer, используют конкурирующий стандарт Mt. Fuji, отличающийся от MMC в некоторых нюансах.

История развития процессоров

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

Первым этапом, затронувшим период с 40-х по конец 50-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 50-х до середины 60-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 60-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, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 70-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-х 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. Надо сказать, что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь 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 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 памяти. Затем проследовала 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. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

), начиная от первых графических адаптеров MDA и CGA и заканчивая новейшими архитектурами AMD и NVIDIA. Теперь настала очередь проследить за тем, как развивались центральные процессоры - не менее важная составляющая любого компьютера. В этой части материала речь пойдет о 1970-х годах, а следовательно, первых 4- и 8-битных решениях.

Первые центральные процессоры были многоножками

1940–1960-е годы

Прежде чем углубляться в историю развития центральных процессоров, необходимо сказать несколько слов о развитии компьютеров в целом. Первые CPU появились еще в 40-х годах XX века. Тогда они работали с помощью электромеханических реле и вакуумных ламп, а применяемые в них ферритовые сердечники выполняли роль запоминающих устройств. Для функционирования компьютера на базе таких микросхем требовалось огромное количество процессоров. Подобный компьютер представлял собой огромный корпус размером с достаточно большую комнату. При этом он выделял большое количество энергии, а его быстродействие оставляло желать лучшего.

Компьютер, использующий электромеханические реле

Однако уже в 1950-х годах в конструкции процессоров стали применяться транзисторы. Благодаря их применению инженерам удалось добиться более высокой скорости работы чипов, а также снизить их энергопотребление, но повысить надежность.

В 1960-х годах получила свое развитие технология изготовления интегральных схем, что позволило создавать микрочипы с расположенными на них транзисторами. Сам процессор состоял из нескольких таких схем. С течением времени технологии позволили размещать все большее количество транзисторов на кристалле, в связи с чем количество используемых в CPU интегральных схем сокращалось.

Тем не менее архитектура процессоров была всё ещё очень и очень далека от того, что мы видим сегодня. Но выход в 1964 году IBM System/360 немного приблизил дизайн тогдашних компьютеров и CPU к современному - прежде всего в плане работы с программным обеспечением. Дело в том, что до появления этого компьютера все системы и процессоры работали лишь с тем программным кодом, который был написан специально для них. В своих ЭВМ компания IBM впервые использовала иную философию: вся линейка разных по производительности CPU поддерживала один и тот же набор инструкций, что позволяло писать ПО, которое работало бы под управлением любой модификации System/360.

Компьютер IBM System/360

Возвращаясь к теме совместимости System/360, нужно подчеркнуть, что IBM уделила очень много внимания данному аспекту. Например, современные компьютеры линейки zSeries до сих пор поддерживают работу программного обеспечения, написанного для платформы System/360.

Не стоит забывать и о компании DEC (Digital Equipment Corporation), а именно о ее линейке компьютеров PDP (Programmed Data Processor). Фирма была основана в 1957 году, и в 1960 году выпустила свой первый миникомпьютер PDP-1. Устройство представляло собой 18-битную систему и по размерам было меньше, чем мейнфреймы того времени, занимая «всего лишь» комнатный угол. В компьютер был интегрирован ЭЛТ-монитор. Интересно, что первая в мире компьютерная игра под названием Spacewar! была написана именно под платформу PDP-1. Стоимость компьютера в 1960 году составляла 120 тысяч долларов США, что было значительно ниже цены других мейнфреймов. Тем не менее PDP-1 не пользовался особой популярностью.

Компьютер PDP-1

Первым коммерчески успешным устройством DEC стал компьютер PDP-8, выпущенный в 1965 году. В отличие от PDP-1, новая система была 12-битной. Стоимость PDP-8 составляла 16 тысяч долларов США – это был самый дешевый миникомпьютер того времени. Благодаря столь низкой цене устройство стало доступно промышленным предприятиям и научным лабораториям. В итоге было продано около 50 тысяч таких компьютеров. Отличительной архитектурной особенностью процессора PDP-8 стала его простота. Так, в нем было всего четыре 12-битных регистра, которые использовались для задач различного типа. При этом PDP-8 содержал всего 519 логических вентилей.

Компьютер PDP-8. Кадр из фильма «Три дня Кондора»

Архитектура процессоров PDP напрямую повлияла на устройство 4- и 8-битных процессоров, о которых и пойдет речь далее.

Intel 4004

1971 год вошел в историю как год появления первых микропроцессоров. Да-да, таких решений, которые используются сегодня в персональных компьютерах, ноутбуках и других устройствах. И одной из первых заявила о себе тогда еще только-только основанная компания Intel, выпустив на рынок модель 4004 - первый в мире коммерчески доступный однокристальный процессор.

Прежде чем перейти непосредственно к процессору 4004, стоит сказать пару слов о самой компании Intel. Её в 1968 году создали инженеры Роберт Нойс и Гордон Мур, которые до того момента трудились на благо компании Fairchild Semiconductor, и Эндрю Гроувом. Кстати, именно Гордон Мур опубликовал всем известный «закон Мура», согласно которому количество транзисторов в процессоре удваивается каждый год.

Уже в 1969-ом, спустя всего лишь год после основания, компания Intel получила заказ от японской компании Nippon Calculating Machine (Busicon Corp.) на производство 12 микросхем для высокопроизводительных настольных калькуляторов. Первоначальный дизайн микросхем был предложен самой Nippon. Однако такая архитектура не приглянулась инженерам Intel, и сотрудник американской компании Тед Хофф предложил сократить число микросхем до четырех за счет использования универсального центрального процессора, который бы отвечал за арифметические и логические функции. Помимо центрального процессора, архитектура микросхем включала оперативную память для хранения данных пользователя, а также ПЗУ для хранения программного обеспечения. После утверждения окончательной структуры микросхем продолжилась работа над дизайном микропроцессора.

В апреле 1970 года к команде инженеров Intel присоединился итальянский физик Федерико Фаджин, который до этого также работал в компании Fairchild. У него был большой опыт работы в области логического проектирования компьютеров и технологий МОП (металл-оксид-полупроводник) с кремниевыми затворами. Именно благодаря вкладу Федерико инженерам Intel удалось объединить все микросхемы в один чип. Так увидел свет первый в мире микропроцессор 4004.

Процессор Intel 4004

Что касается технических характеристик Intel 4004, то, по сегодняшним меркам, конечно, они были более чем скромные. Чип производился по 10-мкм техпроцессу, содержал 2300 транзисторов и работал на частоте 740 кГц, что означало возможность выполнения 92 600 операций в секунду. В качестве форм-фактора использовалась упаковка DIP16. Размеры Intel 4004 составляли 3x4 мм, а по бокам располагались ряды контактов. Изначально все права на чип принадлежали компании Busicom, которая намеревалась использовать микропроцессор исключительно в калькуляторах собственного производства. Однако в итоге они позволили Intel продавать свои чипы. В 1971 году любой желающий мог приобрести процессор 4004 по цене примерно 200 долларов США. К слову, чуть позже Intel выкупила все права на процессор у Busicom, предрекая важную роль чипа в последующей миниатюризации интегральных схем.

Несмотря на доступность процессора, его область применения ограничилась калькулятором Busicom 141-PF. Также долгое время ходили слухи, что Intel 4004 применялся в конструкции бортового компьютера беспилотного космического аппарата «Пионер-10», который стал первым межпланетным зондом, совершившим пролет вблизи Юпитера. Эти слухи напрямую опровергаются тем, что бортовые компьютеры «пионера» имели 18- или 16-битную разрядность, тогда как Intel 4004 был 4-битным процессором. Впрочем, стоит отметить, что инженеры NASA рассматривали возможность его использования в своих аппаратах, однако посчитали чип недостаточно испытанным для таких целей.

Процессор Intel 4040

Спустя три года после выхода процессора Intel 4004 увидел свет его преемник - 4-битный Intel 4040. Чип производился по тому же 10-мкм техпроцессу и работал на той же тактовой частоте 740 кГц. Тем не менее, процессор стал немного «сложнее» и получил более богатый набор функций. Так, 4040 содержал 3000 транзисторов (на 700 больше, чем у 4004). Форм-фактор процессора остался прежним, однако вместо 16-пинового стали использовать 24-пиновый DIP. Среди улучшений 4040 стоит отметить поддержку 14 новых команд, увеличенную до 7 уровней глубину стека, а также поддержку прерываний. «Сороковой» использовался в основном в тестовых устройствах и управлении оборудованием.

Intel 8008

Помимо 4-битных процессоров, в начале 70-х годов в арсенале Intel появилась и 8-битная модель - 8008. По своей сути чип представлял собой 8-битную версию процессора 4004 с меньшей тактовой частотой. Не стоит этому удивляться, потому как разработка модели 8008 велась параллельно с разработкой 4004. Так, в 1969 году компания Computer Terminal Corporation (впоследствии Datapoint) поручила Intel создание процессора для терминалов Datapoint, предоставив им схему архитектуры. Как и в случае с моделью 4004, Тэд Хофф предложил интегрировать все микросхемы в один чип, и в CTC согласились с таким предложением. Разработка плавно шла к своему завершению, но в 1970 году CTC отказались как от чипа, так и от дальнейшего сотрудничества с Intel. Причины были банальны: инженеры Intel не вложились в установленные сроки разработки, а функциональность предоставленного «камня» не соответствовала запросам CTC. Договор между двумя компаниями был разорван, права на все наработки остались у Intel. Новым чипом заинтересовалась японская компания Seiko, инженеры которой хотели использовать новый процессор в своих калькуляторах.

Процессор Intel 8008

Так или иначе, но после прекращения сотрудничества с CTC Intel переименовала разрабатываемый чип в 8008. В апреле 1972 года этот процессор стал доступен для заказа по цене 120 долларов США. После того как Intel осталась без поддержки CTC, в стане компании осторожно относились к коммерческим перспективам нового чипа, однако сомнения были напрасны - процессор хорошо продавался.

Технические характеристики 8008 были во многом схожи с 4004. Процессор производился в 18-пиновом форм-факторе DIP по 10-мкм технологическим нормам и содержал 3500 транзисторов. Внутренний стек поддерживал 8 уровней, а объем поддерживаемой внешней памяти составлял до 16 Кбайт. Тактовая частота 8008 была установлена на отметке 500 кГц (на 240 кГц ниже, чем у 4004). За счет этого 8-битный процессор Intel зачастую проигрывал в скорости 4-битному.

На основе 8008 было построено несколько компьютерных систем. Первой из них стал не очень известный проект под названием The Sac State 8008. Эта система разрабатывалась в стенах университета Сакраменто под руководством инженера Билла Пентца. Несмотря на то, что долгое время первым созданным микрокомпьютером считалась система Altair 8800, именно The Sac State 8008 является таковым. Проект был завершен в 1972 году и представлял полностью полноценный компьютер для обработки и хранения медицинских записей пациентов. Компьютер включал в себя непосредственно процессор 8008, жесткий диск, 8 Кбайт оперативной памяти, цветной дисплей, интерфейс для подключения к мейнфреймам, а также собственную операционную систему. Стоимость такой системы была крайне высокой, поэтому The Sac State 8008 так и не смог получить должного распространения, хотя довольно продолжительное время конкурентов в плане производительности у него не было.

Примерно так выглядел The Sac State 8008

Тем не менее, The Sac State 8008 - не единственный компьютер, построенный на базе процессора 8008. Были созданы и другие системы, такие как американская SCELBI-8H, французская Micral N и канадская MCM/70.

Intel 8080

Как и в случае с процессором 4004, спустя некоторое время 8008 также получил обновление в лице чипа 8080. Однако в случае с 8-битным решением изменения, внесенные в архитектуру процессора, были намного более существенные.

Intel 8080 был представлен в апреле 1974 года. Прежде всего, нужно отметить, что производство процессора перевели на новый 6-мкм техпроцесс. Более того, при производстве использовалась технология N-МОП (n-канальные транзисторы) - в отличие от 8008, который производился с помощью P-МОП-логики. Использование нового техпроцесса позволило разместить на кристалле 6000 транзисторов. В качестве форм-фактора использовался DIP с 40 контактами.

Модель 8080 получила более богатый набор команд, который включал 16 команд передачи данных, 31 команду для их обработки, 28 команд для перехода с прямой адресацией, а также 5 команд управления. Тактовая частота процессора составила 2 МГц - в 4 раза больше, чем у предшественника. Также 8080 имел 16-разрядную адресную шину, которая позволяла производить адресацию 64 Кбайт памяти. Эти нововведения обеспечили высокую производительность нового чипа, которая примерно в 10 раз превышала таковую у 8008.

Процессор Intel 8080

Процессор 8080 в своей первой ревизии содержал серьезную ошибку, которая могла приводить к зависанию. Ошибка была исправлена в обновленной ревизии чипа, получившей название 8080А и выпущенной только спустя полгода.

Благодаря высокой производительности процессор 8080 стал очень популярным. Его применяли даже в системах управления уличным освещением и светофорами. Однако в основном его использовали в компьютерных системах, самой известной из которых являлась разработка компании MITS Altair-8800, представленная в 1975 году.

Altair-8800 работал на базе операционной системы Altair BASIC, а в качестве шины использовался интерфейс S-100, который спустя несколько лет стал стандартом для всех персональных компьютеров. Технические характеристики компьютера были более чем скромные. Он обладал всего лишь 256 байт оперативной памяти, у него отсутствовали клавиатура и монитор. Пользователь работал с компьютером путем ввода программ и данных в двоичной форме, щелкая набором маленьких ключей, которые могли занимать два положения: верхнее и нижнее. Результат считывался также в двоичной форме - по погасшим и светящимся лампочкам. Тем не менее, Altair-8800 стал настолько популярным, что такая маленькая компания, как MITS, попросту не успевала удовлетворять спрос на компьютеры. Популярности компьютера напрямую посодействовала его невысокая стоимость - 621 доллар США. При этом за 439 долларов США можно было приобрести компьютер в разобранном виде.

Компьютер Altair-8800

Возвращаясь к теме 8080, нужно отметить, что на рынке присутствовало множество его клонов. Тогдашняя маркетинговая ситуация в корне отличалась от того, что мы наблюдаем сегодня, и Intel было выгодно предоставлять сторонним компаниям лицензии на производство копий 8080. Производством клонов занималось множество крупных компаний, таких как National Semiconductor, NEC, Siemens и AMD. Да, в 70-е годы у AMD еще не было собственных процессоров - фирма занималась исключительно выпуском «ремейков» других кристаллов на собственных мощностях.

Интересно, что существовала и отечественная копия процессора 8080. Она была разработана Киевским НИИ микроприборов и носила название КР580ВМ80А. Было выпущено несколько вариантов этого процессора, в том числе и для применения в военных объектах.

«Незалежный» КР580ВМ80А

В 1976 году появилась обновленная версия чипа 8080, получившая индекс 8085. Новый кристалл изготавливался по 3 мкм техпроцессу, что позволило разместить на чипе 6500 транзисторов. Максимальная тактовая частота процессора составляла 6 МГц. Набор поддерживаемых инструкций содержал 79 команд, среди которых были две новые команды для управления прерываниями.

Zilog Z80

Главным событием после выхода 8080 стало увольнение Федерико Фаджина. Итальянец не был согласен с внутренней политикой компании и решил уйти. Вместе с бывшим менеджером Intel Ральфом Унгерманном и японским инженером Масатоши Шимой он основал компанию Zilog. Сразу после этого началась разработка нового процессора, похожего по своей архитектуре на 8080. Так, в июле 1976 года появился процессор Zilog Z80, бинарно совместимый с 8080.

Федерико Фаджин (слева)

В сравнении с Intel 8080 Zilog Z80 имел много улучшений, например, расширенный набор команд, новые регистры и инструкции для них, новые режимы прерываний, два отдельных блока регистров, а также встроенную схему регенерации динамической памяти. Кроме этого, стоимость Z80 была намного ниже, чем 8080.

Что касается технических характеристик, то процессор производился по 3-мкм технологическим нормам с применением технологий N-МОП и КМОП. Z80 содержал 8500 транзисторов, а его площадь равнялась 22,54 мм 2 . Тактовая частота Z80 варьировалась в пределах от 2,5 до 8 МГц. Разрядность шины данных составляла 8 бит. Процессор обладал 16-битной адресной шиной, а объем адресуемой памяти составлял 64 Кбайт. Z80 производился в нескольких форм-факторах: DIP40 или 44-контактных PLCC и PQFP.

Процессор Zilog Z80

Z80 очень быстро превзошел в популярности все конкурирующие решения, в том числе и 8080. Процессор применялся в компьютерах таких компаний, как Sharp, NEC и других. Также Z80 «прописался» в консолях Sega и Nintendo. Кроме этого, процессор использовался в игровых автоматах, модемах, принтерах, промышленных роботах и многих других устройствах.

ZX Spectrum

Отдельного упоминания достойно устройство под названием ZX Spectrum, несмотря на то, что наше сегодняшнее повествование не касается решений 80-х годов прошлого столетия. Компьютер разрабатывался британской компанией Sinclair Research и был выпущен в 1982 году. ZX Spectrum был далеко не первой разработкой SR. В начале 1970-х годов глава компании и ее главный инженер Клайв Синклейр (Clive Sinclair) занимались тем, что продавали радиодетали по почте. Ближе к середине 70-х Клайв создал карманный калькулятор, который стал первым успешным изобретением фирмы. Отметим, что в компании не занимались непосредственно разработкой калькулятора. Им удалось найти удачное сочетание дизайна, функциональности и стоимости, благодаря которому устройство отлично продавалось. Следующим устройством Sinclair также стал калькулятор, но с более богатым набором функций. Устройство предназначалось для более «продвинутой» аудитории, но снискать особого успеха ему не удалось.

Клайв Синклейр - «отец» ZX Spectrum

После калькуляторов Синклейр решил сосредоточиться на разработке полноценных компьютеров, и в промежутке между 1980 и 1981 годами появились домашние компьютеры линейки ZX: ZX80 и ZX81. Но самым популярным решением стала выпущенная в 1982 году система под названием ZX Spectrum. Изначально она должна была выйти на рынок под названием ZX83, но в последний момент было принято решение переименовать девайс, чтобы подчеркнуть поддержку компьютером цветного изображения.

ZX Spectrum стал популярным, прежде всего, благодаря своей простоте и дешевизне. Компьютер внешне напоминал игровую приставку. К нему через внешние интерфейсы подключались телевизор, который использовался в качестве монитора, и кассетный магнитофон, выполняющий функцию накопителя. На корпусе «Спектрума» располагалась многофункциональная клавиатура на 40 резиновых клавиш. Каждая кнопка имела до семи значений при работе в разных режимах.

Компьютер ZX Spectrum

Внутренняя архитектура ZX Spectrum также была довольно простой. Благодаря использованию технологии ULA (Uncommitted Logic Array) основную часть схемы компьютера удалось разместить на одной микросхеме. В качестве центрального процессора использовался Zilog Z80 с тактовой частотой 3,5 МГц. Объем оперативной памяти составлял 16 или 48 Кбайт. Правда, некоторые сторонние производители выпускали модули памяти объемом 32 Кбайт, которые вставлялись в один из портов расширения «Спектрума». Объем ПЗУ составлял 16 Кбайт, причем в память был вшит диалект языка BASIC под названием Sinclair BASIC. ZX Spectrum поддерживал вывод лишь однобитного звука через встроенный динамик. Компьютер работал лишь в графическом режиме (8 цветов и 2 уровня яркости). Следовательно, поддержки текстового режима не было. Максимальное разрешение при этом составляло 256x192 пикселов.

Начальная цена на ZX Spectrum была установлена на отметке 125 фунтов стерлингов. Интересно, что Sinclair Research всё ещё продавали свои устройства с помощью почты. За первые 17 месяцев после выхода «Спектрума» было продано более миллиона компьютеров.

Начиная с 70-х гг. прошлого века процессоры для ПК выпускались довольно большим количеством различных компаний, причем каждая из них вносила в разработку устройств новые технологии. Но далеко не у всех получилось завоевать мировой рынок, так, как у Intel или AMD: одни компании начинали выпускать иную продукцию, другие – просто прекратили свое существование. Но сначала – обо всем по порядку.

История создания процессора

Первые процессоры компьютеров 50-х гг. прошлого века работали на основе механического реле, позже появлялись модели, задействовавшие электронные лампы, затем — транзисторы. Сами же компьютеры, использующие данные виды процессоров, представляли собой огромные, очень дорогие и сложные устройства.

Компоненты процессора, отвечающие за производимые вычисления, необходимо было соединить в одну микросхему. Этого удалось достигнуть лишь после появления интегральных полупроводниковых схем. Хотя в первое время разработчики даже и не догадывались, что данная технология может принести пользу, поэтому устройства еще довольно продолжительное время изготавливались как набор отдельных микросхем.

В 1969 г. компанией Busicom было заказано 12 микросхем у Intel , предназначенных для их собственной разработки – настольного калькулятора. Уже тогда у разработчиков Intel возникла мысль – соединить несколько микросхем в одну. Идея была одобрена руководством корпорации, так как технология позволяла хорошо сэкономить на производстве микросхем, к тому же, специалисты смогли сделать процессор универсальным и использовать его во многих других устройствах, производящих вычисления.

Так появился первый микропроцессор, который получил название . Он мог выполнять 60000 операций в секунду, обрабатывать двоичные числа. Но процессор так и не смогли применить в ПК – их тогда попросту не выпускали.

«Mark 8» — первый ПК на земле

Разработал американский студент Джонатан Титус. Известный журнал «Электроника» назвал его ПК «Mark 8» (с англ. «Модель 8»). В издании также было дано описание компьютера, показана детальная конструкция. Титус хотел заработать, продавая печатные платы тем, кому нужно было собрать свой собственный ПК. Остальные устройства клиентам приходилось покупать в магазинах.

Естественно, «Модель 8» не принесла много прибыли своему создателю, но Джонатан оказал человечеству бесценную услугу, создав полноценный ПК.

История процессоров Intel

После Intel 4004 на свет появился процессор Intel 8008, который работал с частотой 600-800 кГц, содержал 3500 транзисторов, он сильно отличался от своего предшественника. Intel 8008 применялся в различных цифровых устройствах и калькуляторах. В то время на рынке высоких технологий стали появляться персональные компьютеры, поэтому корпорация Intel вскоре решила, что для ПК будут нужны куда более мощные процессоры. Вскоре был разработан производительный Intel 8080, который по своим характеристикам превосходил «808-ого» примерно в десять раз.

По тем временам устройство стоило достаточно дорого, но, как считали специалисты Intel, цена была оптимальной для использования процессора в ПК. Финансовое положение корпорации стремительно улучшалось благодаря его удачным продажам.

В скором времени вышел Altair-8800, персональный компьютер, выпущенный компанией MITS, (который, кстати, работал на чипе Intel 8800). Он начал эру ПК, что побудило многие компании начать разрабатывать собственные микропроцессоры.

Тем временем в СССР

Отечественная вычислительная техника быстро развивалась вплоть до начала 70-х гг., в то время разрабатывались различные ЭВМ, которые не уступали в производительности зарубежным образцам. В 1970 году правительство нашей страны издало указ «об аппаратной и программной совместимости ЭВМ», который способствовал появлению новой концепции вычислительных машин. В их основу легла американская технология IBM 360, а позже ее место заняла архитектура PDP-11.

Советские разработки стали не нужны, компьютерное производство включало в себя лишь копирование импортных образцов, что привело к неизбежному отставанию СССР от Америки в плане электронного производства. Полностью исчезла технология PDP-11, все компьютеры, выпущенные в 80-е гг. работали на аналогах процессоров Zilog и Intel. Американские технологии опережали отечественные более чем на 10 лет.

История развития процессоров

В 1974 г. Компания Motorola выпустила свою первую разработку — процессор MC6800 , который был достаточно производителен (частота 1-2 МГц, 64 кб обрабатываемой памяти, 4500 транзисторов), оперировал 16-битными числами и имел такую же цену, как и Intel 8080, но очень плохо продавался, из-за чего не нашел применения в ПК. Позже, потерпевшая неудачу компания распустила более 4 тыс. сотрудников.

В 1975 г. бывшие сотрудники компании Motorola образовали свою собственную компанию под названием MOS Technology, первым процессором которой стал MOS Technology 6501 , по характеристикам схожий с MC6800. Но угрозы судом от Motorola за плагиат вынудили компанию устранить все сходства с их процессором, поэтому вскоре вышла новая модель – чип версии 6502, который стоил относительно дешево, вследствие чего широко применялся на различных ПК, в числе которых были компьютеры компании Apple. Процессор отличался от предыдущей версии более современной технологией вычислений и высокой тактовой частотой.

Бывшие сотрудники Intel тоже решились на создание собственного проекта – в 1976 г. они выпустили процессор Zilog Z80, который не особо отличался от Intel 8080. У устройства была всего одна линия питания, довольно низкая цена, на нем работали все те же самые программы, что и на чипе от Intel. Мало того, процессор можно было разогнать, т. е. увеличить его производительность, не задействовав при этом оперативную память – все это привело к успеху компании Zilog на рынке.

В нашей стране процессор Z80 долгое время использовался как микроконтроллер в военной технике, пультах дистанционного управления, а также как процессор игровых приставок и различных электронных играх. Z80 широко применялся в России в 80-х – 90-х годах.

«Устаревший» терминатор

В фильме «Терминатор» есть сцены, в которых робот глазами сканирует окрестности, а в это время на его экране постоянно бегают строчки неизвестного программного кода. Спустя несколько лет выяснилось, что эти строчки принадлежат программе процессора MOS Technology 6502. Сей факт выглядит очень забавно, ведь действие фильма происходит в далеком будущем, где, однако, до сих пор используются процессоры 70-х годов.

История развития процессоров Intel, Motorola, Zilog

В 1979 году корпорация Intel снова совершила технологический прорыв, разработав новый процессор Intel 8086 , который все эксперты сразу же окрестили «убийцей» Zilog и MOS Technology. Новый чип был гораздо мощнее своих конкурентов, но ожидаемого успеха он так и не достиг, так как для 16-разрядной шины процессора требовались соответствующие дорогостоящие микросхемы для материнских плат. Это послужило образованию высоких цен на ПК с Intel 8086, которые впоследствии плохо продавались. Но это не отменяет больших заслуг нового процессора — он задал очень высокую планку производительности, а потомки Intel 8086 прочно занимают лидирующие позиции на рынке микропроцессоров для ПК.

Следующий чип — Intel 8088 — был работой над ошибками и имел успехи в продажах. Он содержал 30000 транзисторов, работал на частоте 10 МГц. Небезызвестный IBM PC работал именно с этим процессором.

Motorola в 1979 году выпустила чип MC68000 , который по тем временам был мощнейшим – 24-разрядная шина памяти, частота 10-16 МГц. Процессор был очень дорогим, требовал соответствующие микросхемы, но все равно имел значительный успех, подкупая пользователей своими широкими возможностями.

В этом же году компанией Zilog был выпущен весьма спорный процессор – Z8000 . Он был довольно производительным, но в то же время не был совместим аппаратно и программно с Z80, из-за чего новый процессор почти никто не хотел покупать.

Процессоры и числа

Первые модели микропроцессоров могли обрабатывать целые и дробные числа, но для вычисления последних нужно было сначала преобразовать дробь в несколько целых чисел и после операций привести полученное число к начальному виду. Но такие постоянные преобразования – довольно затратный процесс, в смысле памяти ПК, поэтому нужно было как-то улучшить технологию процессоров. Вскоре многие компании начали разрабатывать дополнительные чипы, специально предназначенные для расчетов с дробями. Сначала их продажу осуществляли отдельно от основных процессоров, но позже производители смогли соединить два чипа в один, интегрировав дополнительный процессор в основной. Проблема была решена.

Компания Intel стала лидером среди производителей процессоров

В 1982 году вышел процессор Intel 80286, который разгромил конкурентов в лице Motorola и Zilog. Он был намного мощнее и быстрее своего предшественника Intel 8086, работал с большими объемами памяти и не имел проблем с аппаратной и программной совместимостью. Значит, пользователям больше не нужно было обновлять дорогостоящее программное обеспечение. Все это было достигнуто с помощью введения нового режима работы процессора, благодаря которому обеспечивалась работа сразу нескольких программ. Защищенный режим повышал производительность чипа в разы – в этом был секрет успеха Intel 80286.

Новое поколение процессоров Intel

Процессор P5 от Intel вышел в марте 1993 года, он стал называться Pentium. Технологии чипа были переработаны до неузнаваемости – появилась возможность выполнять сразу две команды, процесс кэширования информации радикально изменился, пропускная способность 64-разрядной шины повысилась в 2 раза. Но процессоры, которые работали на частоте 60 МГц, не были успешны, так как они требовали новую материнскую плату с гнездом Socket 4, а старые не могли полноценно использовать Pentium. Поэтому в конце 1993 года вышел Pentium II, еще более производительный процессор, ситуацию удалось исправить.

Таким образом, чипы от компании Intel обошли своих конкурентов на рынке ПК и прочно заняли лидирующую позицию в стремительной гонке развития процессоров.

Бюджетные версии процессоров Intel

Для успешной конкуренции с AMD компания Intel должна была возглавить рынок бюджетных версий процессоров. Руководство компании приняло решение не снижать цены, а выпускать не слишком мощные процессоры, которые стали называться Intel Celeron.

Первая подобная модель вышла 1998 году. Celeron работал на ядре процессора Pentium II, но в нем отсутствовал кэш, да и сам процессор имел довольно среднюю производительность, хотя был совместим с новыми технологиями. Именно такое устройство и нужно было Intel, чтобы заполнить бюджетный рынок, при этом избежав снижения цен на свои главные разработки.

Cyrix и IDT – производители процессоров версии x86

Компания Cyrix была основана в 1988 году. Ее разработчики создавали процессоры, использующие все те же технологии, что и Intel. Cyrix выпускала вспомогательные чипы для процессоров Intel 80286 и Intel 80386. Последний продукт, кстати, даже смог перегнать по продажам сопроцессор Intel той же версии.

Свои же собственные процессоры – 486DLC и 486SLC – Cyrix выпустили только в 1991 году. Они были совместимы с Socket Intel 80386. Разработки Cyrix ничуть не уступали чипам Intel в плане производительности и были довольно популярны среди пользователей, желающих сделать апгрейд своего ПК.

Еще через четыре года компания выпустила два новых процессора – Cx5x86, с помощью которого можно было перейти с версии 80486 на Intel Pentium, а также Cyrix версии 6×86. Он стал первым чипом, сумевшим превзойти аналог Intel – процессор под маркой Pentium. Но и 6х86 не был лишен недостатков: по тактовой частоте и производительности в трехмерных играх Pentium все же его превосходил.

Преимущество на рынке процессоров закончилось для Cyrix ближе к концу 90-х гг., так как производимым компанией процессорам недоставало мощности и скорости работы. Вскоре Cyrix была куплена тайваньской компанией VIA Technologies.

История компании IDT началась в 1997 году, когда она выпустила Win Chip – этот процессор был разработан по технологиям Pentium. Он продавался по низкой цене, потреблял мало электроэнергии и слабо нагревался, но вместе с тем имел низкую производительность, если сравнивать с конкурентами. Такие особенности Win Chip приобрел с помощью хитрой технологии – несложный набор команд сочетался со специальным устройством, преобразующим команды х86 в свои собственные.

Продолжая тему первой статьи - история эволюции процессоров с конца XX века по начала XXI века.

Во многих процессорах 80-х годов использовалась архитектура CISC (Complex instruction set computing). Чипы были довольно сложными и дорогими, а также не достаточно производительными. Возникла необходимость в модернизации производства и увеличения количества транзисторов.

Архитектура RISC

В 1980 году стартовал проект Berkeley RISC, которым руководили американские инженеры Дэвид Паттерсон и Карло Секвин. RISC (restricted instruction set computer) - архитектура процессора с увеличенным быстродействием благодаря упрощенным инструкциям.

Руководители проекта Berkeley RISC - Дэвид Паттерсон и Карло Секвин

После нескольких лет плодотворной работы, на рынке появилось несколько образцов процессоров с сокращенным набором команд. Каждая инструкция платформы RISC была простой и выполнялась за один такт. Также присутствовало намного больше регистров общего назначения. Кроме того использовалась конвейеризация с упрощенными командами, что позволяло эффективно наращивать тактовую частоту.

RISC I вышел в 1982 году и содержал более чем 44 420 транзисторов. Он имел всего 32 инструкции и работал на частоте 4 МГц. Следующий за ним RISC II насчитывал 40 760 транзисторов, использовал 39 инструкций и был более быстрым.

Процессор RISC II

Процессоры MIPS: R2000, R3000, R4000 и R4400

Архитектура процессоров MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) предусматривала наличие вспомогательных блоков в составе кристалла. В MIPS использовался удлиненный конвейер.

В 1984 году группа исследователей во главе с американским ученым Джоном Хеннесси основала компанию, проектирующую микроэлектронные устройства. MIPS лицензировала микропроцессорную архитектуру и IP-ядра для устройств умного дома, сетевых и мобильных применений. В 1985 году вышел первый продукт компании - 32-битный R2000, который в 1988 году был доработан в R3000. У обновленной модели имелась поддержка многопроцессорности, кэш-памяти инструкций и данных. Процессор нашел применение в SG-сериях рабочих станций разных компаний. Также R3000 стал основой игровой консоли Sony PlayStation.

Процессор R3000

В 1991 году вышла линейка нового поколения R4000. Данный процессор обладал 64-битной архитектурой, встроенным сопроцессором и работал на тактовой частоте 100 МГц. Внутренняя кэш-память составляла 16 Кб (8 Кб кэш-команд и 8 Кб кэш-данных).

Через год вышла доработанная версия процессора - R4400. В этой модели увеличился кэш до 32 Кб (16 Кб кэш-команд и 16 Кб кэш-данных). Процессор мог работать на частоте 100 МГц - 250 МГц.

Процессоры MIPS: R8000 и R10000

В 1994 году появился первый процессор с суперскалярной реализацией архитектуры MIPS - R8000. Емкость кэш-памяти данных составляла 16 Кб. У этого CPU была высокая пропускная способность доступа к данным (до 1.2 Гб/с) в сочетании с высокой скоростью выполнения операций. Частота достигала 75 МГц - 90 МГц. Использовалось 6 схем: устройство для целочисленных команд, для команд с плавающей запятой, три вторичных дескриптора кэш-памяти ОЗУ и кэш-контроллер ASIC.

Процессор R8000

В 1996 году вышла доработанная версия - R10000. Процессор включал в себя 32 Кб первичной кэш-памяти данных и команд. Работал CPU на частоте 150 МГц - 250 МГц.

В конце 90-х компания MIPS занялась продажей лицензий на 32-битную и 64-битную архитектуры MIPS32 и MIPS64.

Процессоры SPARC

Ряды процессоров пополнили продукты компании Sun Microsystems, которая разработала масштабируемую архитектуру SPARC (Scalable Processor ARChitecture). Первый одноименный процессор вышел в конце 80-х и получил название SPARC V7. Его частота достигала 14.28 МГц - 40 МГц.

В 1992 году появилась следующая 32-битная версия под названием SPARC V8, на базе которой был создан процессор microSPARC. Тактовая частота составляла 40 МГц - 50 МГц.

Над созданием следующего поколения архитектуры SPARC V9 с компанией Sun Microsystems совместно работали Texas Instruments, Fujitsu, Philips и другие. Платформа расширилась до 64 бит и являлась суперскалярной с 9-стадийным конвейером. SPARC V9 предусматривала использование кэш-памяти первого уровня, разделенного на инструкции и данные (каждая объемом по 16 Кб), а также второго уровня емкостью 512 Кб - 1024 Кб.

Процессор UltraSPARC III

Процессоры StrongARM

В 1995 году стартовал проект по разработке семейства микропроцессоров StrongARM, реализовавших набор инструкций ARM V4. Эти CPU представляли собой классическую скалярную архитектуру с 5-стадийным конвейером, включая блоки управления памятью и поддерживая кэш-память инструкций и данных объемом по 16 Кб каждая.

StrongARM SA-110

И уже в 1996 году был выпущен первый процессор на базе StrongARM - SA-110. Он работал на тактовых частотах 100 МГц, 160 МГц или 200 МГц.

Также на рынок вышли модели SA-1100, SA-1110 и SA-1500.

Процессор SA-110 в Apple MessagePad 2000

Процессоры POWER, POWER2 и PowerPC

В 1985 году компания IBM начала разработку RISC-архитектуры следующего поколения в рамках проекта America Project. Разработка процессора POWER (Performance Optimization With Enhanced RISC) и набора инструкций для него длилась 5 лет. Он был весьма производительный, но состоял из 11 различных микросхем. И поэтому в 1992 году вышел другой вариант процессора, что умещался в одном чипе.

Чипсет POWER

В 1991 году совместными усилиями альянса компаний IBM, Apple и Motorola была разработана архитектура PowerPC (сокращенно PPC). Она состояла из базового набора функций платформы POWER, а также поддерживала работу в двух режимах и была обратно совместима с 32-битным режимом работы для 64-разрядной версии. Основным назначением являлись персональные компьютеры.

Процессор PowerPC 601 использовался в Macintosh.

Процессор PowerPC

В 1993 году был представлен POWER2 с расширенным набором команд. Тактовая частота процессора варьировалась от 55 МГц до 71.5 МГц, а кэш-память данных и инструкций была 128-256 Кб и 32 Кб. Микросхемы процессора (их было 8) содержали 23 миллиона транзисторов, а изготавливался он по 0.72-микрометровой CMOS-технологии.

В 1998 году IBM выпустила третью серию процессоров POWER3 на 64 бита, полностью совместимых со стандартом PowerPC.

В период с 2001 по 2010 вышли модели POWER4 (до восьми параллельно выполняющихся команд), двухядерные POWER5 и POWER6, четырех-восьми ядерный POWER7.

Процессоры Alpha 21064A

В 1992 году компания Digital Equipment Corporation (DEC) выпустила процессор Alpha 21064 (EV4). Это был 64-разрядный суперскалярный кристалл с конвейерной архитектурой и тактовой частотой 100 МГц - 200 МГц. Изготовлен по 0,75-мкм техпроцессу, со внешней 128-разрядной шиной процессора. Присутствовало 16 Кб кэш-памяти (8 Кб данных и 8 Кб инструкций).

Следующей моделью в серии стал процессор 21164 (EV5), который вышел в 1995 году. Он обладал двумя целочисленными блоками и насчитывал уже три уровня кэш-памяти (два в процессоре, третий - внешний). Кэш-память первого уровня разделялась на кэш данных и кэш инструкций объемом по 8 Кб каждый. Объем кэш-памяти второго уровня составлял 96 Кб. Тактовая частота процессора варьировалась от 266 МГц до 500 МГц.

DEC Alpha AXP 21064

В 1996 году вышли процессоры Alpha 21264 (EV6) с 15,2 миллионами транзисторов, изготовленные по 15,2-мкм техпроцессу. Их тактовая частота составляла от 450 МГц до 600 МГц. Целочисленные блоки и блоки загрузки/сохранения были объединены в единый модуль Ebox, а блоки вычислений с плавающей запятой - в модуль Fbox. Кэш первого уровня сохранил разделение на память для инструкций и для данных. Объем каждой части составлял 64 Кб. Объем кэш-памяти второго уровня был от 2 Мб до 8 Мб.

В 1999 году DEC купила компания Compaq. В результате чего большая часть производства продукции, использовавшей Alpha, была передана компании API NetWorks, Inc.

Процессоры Intel P5 и P54C

По макету Винода Дхама был разработан процессор пятого поколения под кодовым названием P5. В 1993 году CPU вышли в производство под названием Pentium.

Процессоры на ядре P5 производились с использованием 800-нанометрового техпроцесса по биполярной BiCMOS-технологии. Они содержали 3,1 миллиона транзисторов. У Pentium была 64-битная шина данных, суперскалярная архитектура. Имелось раздельное кэширование программного кода и данных. Использовалась кэш-память первого уровня объемом 16 Кб, разделенная на 2 сегмента (8 Кб для данных и 8 Кб для инструкций). Первые модели были с частотами 60 МГц - 66 МГц.

Процессор Intel Pentium

В том же году Intel запустила в продажу процессоры P54C. Производство новых процессоров было переведено на 0,6-мкм техпроцесс. Скорость работы процессоров составляла 75 МГц, а с 1994 года - 90 МГц и 100 МГц. Через год архитектура P54C (P54CS) была переведена на 350-нм техпроцесс и тактовая частота увеличилась до 200 МГц.

В 1997 году P5 получила последнее обновление - P55C (Pentium MMX). Появилась поддержка набора команд MMX (MultiMedia eXtension). Процессор состоял из 4,5 миллиона транзисторов и производится по усовершенствованной 280-нанометровой CMOS-технологии. Объем кэш-памяти первого уровня увеличился до 32 Кб (16 Кб для данных и 16 Кб для инструкций). Частота процессора достигла 233 МГц.

Процессоры AMD K5 и K6

В 1995 году компания AMD выпустила процессор K5. Архитектура представляла собой RISC-ядро, но работала со сложными CISC-инструкциями. Процессоры изготавливались с использованием 350- или 500-нанометрового техпроцесса, с 4,3 миллионами транзисторов. Все K5 имели пять целочисленных блоков и один блок вычислений с плавающей запятой. Объем кэш-памяти инструкций составлял 16 Кб, а данных - 8 Кб. Тактовая частота процессоров варьировалась от 75 МГц до 133 МГц.

Процессор AMD K5

Под маркой K5 выпускалось два варианта процессоров SSA/5 и 5k86. Первый работал на частотах от 75 МГц до 100 МГц. Процессор 5k86 работал на частотах от 90 МГц до 133 МГц.

В 1997 году компания представила процессор K6, архитектура которого существенно отличалась от K5. Процессоры изготавливались по 350-нанометровому техпроцессу, включали в себя 8,8 миллионов транзисторов, поддерживали изменение порядка выполнения инструкций, набор команд MMX и блок вычислений с плавающей запятой. Площадь кристалла составляла 162 мм². Объем кэш-памяти первого уровня насчитывал 64 Кб (32 Кб данные и 32 Кб инструкции). Работал процессор на частоте 166 МГц, 200 МГц и 233 МГц. Частота системной шины была 66 МГц.

В 1998 году AMD выпустила чипы с улучшенной архитектурой K6-2, с 9,3 миллионами транзисторов изготавливаемого по 250-нанометровому техпроцессу. Максимальная частота чипа составляла 550 МГц.

Процессор AMD K6

В 1999 году вышла третья генерация - архитектура K6-III. Кристалл сохранил все особенности K6-2, но при этом появилась встроенная кэш-память второго уровня объемом 256 Кб. Объем кэша первого уровня составлял 64 Кб.

Процессоры AMD K7

В том же 1999 году на смену К6 пришли процессоры К7. Они выпускались по 250-нм технологии с 22 миллионами транзисторов. У CPU присутствовал новый блок целочисленных вычислений (ALU). Системная шина EV6 обеспечивала передачу данных по обоим фронтам тактового сигнала, что давало возможность при физической частоте 100 МГц получить эффективную частоту 200 МГц. Объем кэш-памяти первого уровня составлял 128 Кб (64 Кб инструкций и 64 Кб данных). Кэш второго уровня достигал 512 Кб.

Процессор AMD K7

Несколько позже появились кристаллы, базировавшиеся на ядре Orion. Они производилось по 180-нм техпроцессу.

Выход ядра Thunderbird внес необычные изменения в процессоры. Кэш-память 2-го уровня была перенесена непосредственно в процессорное ядро и работала на одинаковой с ним частоте. Кэш был с эффективным объемом 384 Кб (128 Кб кэша первого уровня и 256 Кб кэша второго уровня). Увеличилась тактовая частота системной шины - теперь она функционировала с частотой 133 МГц.

Процессоры Intel P6

Архитектура P6 пришла на смену P5 в 1995 году. Процессор являлся суперскалярным и поддерживал изменения порядка выполнения операций. Процессоры использовали двойную независимую шину, которая значительно увеличила пропускную способность памяти.

В том же 1995 году были представлены процессоры следующего поколения Pentium Pro. Кристаллы работали на частоте 150 МГц - 200 МГц, имели 16 Кб кэш-памяти первого уровня и до 1 Мб кэша второго уровня.

Процессор Intel Pentium Pro

В 1999 году были представлены первые процессоры Pentium III. Они базировались на новой генерации ядра P6 под названием Katmai, которые являлись модифицированными версиями Deschutes. В ядро была добавлена поддержка инструкций SSE, а также улучшился механизм работы с памятью. Тактовая частота процессоров Katmai достигала 600 МГц.

В 2000 году вышли первые процессоры Pentium 4 с ядром Willamette. Эффективная частота системной шины составляла 400 МГц (физическая частота - 100 МГц). Кэш-данных первого уровня достигал объема 8 Кб, а кэш-память второго уровня - 256 Кб.

Следующим ядром линейки стало Northwood (2002 год). Процессоры содержали 55 миллионов транзисторов и производились по новой 130-нм КМОП-технологии с медными соединениями. Частота системной шины составляла 400 МГц, 533 МГц или 800 МГц.

Intel Pentium 4

В 2004 году производство процессоров вновь перевели на более тонкие технологические нормы - 90 нм. Вышли Pentium 4 на ядре Prescott. Кэш данных первого уровня увеличился до 16 Кб, а кэш второго уровня достиг 1 Мб. Тактовая частота составляла 2,4 ГГц - 3,8 ГГц, частота системной шины - 533 МГц или 800 МГц.

Последним ядром, которое использовалось в процессорах Pentium 4 стало одноядерное Cedar Mill. Выпускалось по новому техпроцессу - 65 нм. Существовало четыре модели: 631 (3 ГГц), 641 (3,2 ГГц), 651 (3,4 ГГц), 661 (3,6 ГГц).

Процессоры Athlon 64 и Athlon 64 X2

В конце 2003 года AMD выпустила новую 64-битную архитектуру K8, построенную по 130-нанометровому техпроцессу. В процессоре был встроенный контроллер памяти и шина HyperTransport. Она работала на частоте 200 МГц. Новые продукты AMD получили название Athlon 64. Процессоры поддерживали множество наборов команд, таких как MMX, 3DNow!, SSE, SSE2 и SSE3.

Процессор Athlon 64

В 2005 году на рынок вышли процессоры компании AMD под названием Athlon 64 X2. Это были первые двухъядерные процессоры для настольных компьютеров. В основе модели лежали два ядра, выполненных на одном кристалле. Они имели общий контроллер памяти, шину HyperTransport и очередь команд.

Процессор Athlon 64 X2

В течение 2005 и 2006 годов AMD выпустила четыре поколения двухъядерных чипов: три 90-нм ядра Manchester, Toledo и Windsor, а также 65-нм ядро Brisbane. Процессоры отличались объемом кэш-памяти второго уровня и энергопотреблением.

Процессоры Intel Core

Процессоры Pentium M обеспечивали большую производительность, чем настольные процессоры на базе микроархитектуры NetBurst. И поэтому их архитектурные решения стали основой для микроархитектуры Core, которая вышла в 2006 году. Первым настольным четырехядерным процессором стал Intel Core 2 Extreme QX6700 с тактовой частотой 2.67 ГГц и 8 Мб кэш-памяти второго уровня.

Кодовое имя первого поколения мобильных процессоров компании Intel было Yonah. Они производились с использованием техпроцесса 65 нм, основанного на архитектуре Banias/Dothan Pentium M, с добавленной технологией защиты LaGrande. Процессор мог обрабатывать до четырех инструкций за такт. В Core был переработан алгоритм обработки 128-битных инструкций SSE, SSE2 и SSE3. Если раньше каждая команда обрабатывалась за два такта, то теперь для операции требовался лишь один такт.

Intel Core 2 Extreme QX6700

В 2007 году вышла 45-нм микроархитектура Penryn с использованием металлических затворов Hi-k без содержания свинца. Технология использовалась в семействе процессоров Intel Core 2 Duo. В архитектуру добавилась поддержка инструкций SSE4, а максимальный объем кэш-памяти 2-го уровня у двухъядерных процессоров увеличился с 4 Мб до 6 Мб.

Процессор AMD Phenom II X6

В 2008 году вышла архитектура следующего поколения - Nehalem. Процессоры обзавелись встроенным контроллером памяти, поддерживающим 2 или 3 канала DDR3 SDRAM или 4 канала FB-DIMM. На смену шине FSB, пришла новая шина QPI. Объем кэш-памяти 2-го уровня уменьшился до 256 Кб на каждое ядро.

Intel Core i7

Вскоре Intel перевела архитектуру Nehalem на новый 32-нм техпроцесс. Эта линейка процессоров получила название Westmere.
Первой моделью новой микроархитектуры стал Clarkdale, обладающий двумя ядрами и интегрированным графическим ядром, производимым по 45-нм техпроцессу.

Процессоры AMD K10

Компания AMD старалась не отставать от Intel. В 2007 году она выпустила поколение архитектуры микропроцессоров x86 - K10. Четыре ядра процессора были объединены на одном кристалле. В дополнение к кэшу 1-го и 2-го уровней модели K10 наконец получили L3 объемом 2 Мб. Объем кэша данных и инструкций 1-го уровня составлял 64 Кб каждый, а кэш-памяти 2-го уровня - 512 Кб. Также появилась перспективная поддержка контроллером памяти DDR3. В K10 использовалось два 64-битных контроллера. Каждое процессорное ядро имело 128-битный модуль вычислений с плавающей запятой. Вдобавок ко всему, новые процессоры работали через интерфейс HyperTransport 3.0.

В 2007 году с архитектурой K10 вышли многоядерные центральные процессоры Phenom фирмы AMD, предназначенные для использования в стационарных персональных компьютерах. Решения на базе K10 производились по 65- и 45-нм техпроцессу. В новой версии архитектуры (К10,5) контроллер памяти работал с памятью DDR2 и DDR3.

Процессор AMD Phenom

В 2011 году вышла новая архитектура Bulldozer. Каждый модуль содержал два ядра со своим блоком целочисленных вычислений и кэш-памятью 1-го уровня. Поддерживалась кэш-память 3-го уровня объемом 8 Мб, шины HyperTransport 3.1, технологии увеличения частоты ядер Turbo Core второго поколения и наборов инструкций AVX, SSE 4.1, SSE 4.2, AES. Также процессоры Bulldozer были наделены двухканальным контроллером памяти DDR3 с эффективной частотой 1866 МГц.

Процессор AMD Bulldozer

В 2013 году компания представила следующее поколение процессоров - Piledriver. Данная модель являлась улучшенной архитектурой Bulldozer. Были доработаны блоки предсказания ветвлений, возросла производительность модуля операций с плавающей запятой и целочисленных вычислений, а также тактовая частота.

Просматривая историю, можно проследить этапы развития процессоров, изменения в их архитектуре, усовершенствования технологий разработки и многое другое. Современные CPU отличаются от тех, которые выходили раньше, но при этом имеют и общие черты.

История создания современного компьютера не насчитывает даже ста лет, хотя первые попытки облегчить счёт были предприняты человеком 3000 лет до нашей эры в Древнем Вавилоне. Тем не менее сегодня не каждому пользователю известно как выглядел . Стоит отметить, что он имел мало общего с современным персональным устройством.

Несмотря на то что первый компьютер был представлен общественности только в конце Второй мировой войны, работа над этим началась в начале XX века. Но все вычислительные машины, созданные до ENIAC, так и не нашли практического применения, тем не менее они тоже стали определёнными этапами в движении прогресса.

• Российский исследователь и учёный А. Крылов разработал первую машину, решающую дифференциальные уравнения её в 1912 году.
• 1927 год США, учёные разработали первый аналоговый аппарат.
• 1938 год Германия, Конрад Цзуе создал модель компьютера Z1. Через три года, этот же учёный разработал следующую версию ЭВМ Z3, которая более других была похожа на современные устройства.
• 1941 год США, создан первый автоматический вычислитель «Марк 1» по субподрядному договору с компанией IBM. Последовательно с интервалом в несколько лет были созданы следующие модели: «Марк II», «Марк III/ADEC», «Марк IV».
• 1946 год США, публике представлен самый первый компьютер в мире - ЭНИАК, который был практически применим в военных расчётах.
• 1949 год Россия, Сергей Лебедев представил на чертежах первую советскую ЭВМ, к 1950 году МЭСМ была построена и запущена в массовое производство.
• 1968 год Россия, А. Горохов создал проект машины, содержащей материнскую плату, устройство ввода, видеокарту и память.
• 1975 год США, создан первый серийный ЭВМ Альтаир 8800. В основе устройства был использован микропроцессор Intel

Как видно, разработки не стояли на месте и прогресс двигался семимильными шагами. Прошло совсем немного времени и массивные нелепые устройства трансформировались в привычные нам современные персональные компьютеры.

ENIAC - самый первый компьютер в мире

Этому устройству хочется уделить немного больше внимания. Именно ему присвоено звание первого в мире ЭВМ, несмотря на то, что до него были разработаны некоторые модели. Это связано с тем, что ЭНИАК стал первой ЭВМ, нашедшей практическое применение. Стоит отметить, что машина была запущена в эксплуатацию в 1945 году и окончательно отключена от питания в октябре 1955 года. Согласитесь, 10 лет непрерывной службы, немалый срок для первой вычислительной машины, нашедшей практическое применение.

Как использовалась ЭВМ

Изначально самый первый компьютер в мире создавался для расчёта таблиц стрельбы, требующихся для артиллерийских войск. Команды вычислителей не справлялись со своей работой, так как на расчёты требовалось время. Тогда в 143 году военной комиссии был представлен проект электронного вычислителя, который был одобрен, и началось активное построение машины. Процесс был завершён только в 1945 году, поэтому применить ЭНИАК в военных целях не удалось и его забрали в университет Пенсильвании для проведения вычислений при разработке термоядерного оружия.

Математическое моделирование стало сложной задачей для первой ЭВМ, поэтому формирование моделей происходило по максимально упрощённым схемам. Тем не менее нужного результата удалось добиться и возможность создания водородной бомбы была доказана именно с помощью ЭНИАКа. В 1947 году машину стали использовать для расчётов методом Монте Карло.

Кроме того, в 1946 году на ENIAC решалась задача аэродинамического характера, физик Д. Хартри разбирал проблему обтекания воздухом крыла самолета при сверхзвуковых скоростях.

В 1949 году, Фон Нейман рассчитывал на компьютере константы Пи и e. ЭНИАК представил данные с точностью до 2 тысяч знаков после запятой.

В 1950 году на ЭВМ произвели численный расчёт прогноза погоды, который оказался довольно точным. Несмотря на то что сами вычисления занимали очень много времени.

Создатели машины

Назвать единственного создателя первой вычислительной машины сложно. Над ЭНИАК-ом трудилась большая команда инженеров и программистов. Изначально создателями проекта стали Джон Мокли и Джон Эккерт. Мокли в то время был преподавателем института Мура, а Эккерт числился в нём как студент. Они занялись разработкой архитектуры компьютера и представили комиссии проект ЭВМ.

Кроме того, в создании машины принимали участие следующие люди:

• разработка аккумуляторов – Джек Деви;
• модуль ввода-вывода данных – Гарри Хаски;
• модуль умножения – Артур Бёркс;
• модуль деления и извлечение корня – Джефри Чуан Чу;
• ведущий программист – Томас Кайт Шарплес;
• функциональные таблицы – Роберт Шоу;
• научный консультант – Джон фон Нейман.

Также над машиной трудился целый штат программистов

Параметры устройства

Как уже было сказано выше, самый первый в мире компьютер был совсем непохож на современные устройства. Это была очень массивная конструкция, состоящая более чем из 17 тысяч ламп 16 типов, более 7 тысяч кремниевых диодов, 1,5 тысячи реле, 70 тысяч резисторов и 10 тысяч конденсаторов. В итоге вес первой действующей ЭВМ составлял 27 тонн.

Технические характеристики:

• объем памяти устройства – 20 число-слов;
• мощность, которую потребляла машина – 174 кВт;
• вычислительная мощность 5000 операций сложения в секунду. Для умножения машина применяла множественное сложения, поэтому тут производительность падала и составляла всего 357 операций.
• тактовая частота – 100 кГц;
• табулятор перфокарт для ввода и вывода информации.

Для проведения вычислений использовалась десятичная система счисления, хотя двоичный код уже был известен учёным.

Стоит отметить, что в процессе вычислений ЭНИАК требовал столько электроэнергии, что ближайший город часто оставался без электроснабжения на многие часы. Для смены алгоритма вычисления требовалось перекоммутирование устройства. Фон Нейман после усовершенствовал ЭВМ и добавил в неё память, содержащую основные вычислительные программы, чем значительно упростил процесс работы программистов.

ЭНИАК стал компьютером нулевого поколения. В его конструкции никак нельзя угадать предпосылки для создания современных устройств. Процессы вычислений также были налажены не настолько продуктивно как, возможно, хотелось учёным. Тем не менее именно эта машина доказала, что создать полностью электронную вычислительную машину можно и дала толчок к дальнейшему развитию.

Сегодня некоторые детали самого первого компьютера в мире хранятся в Национальном музее американской истории. Полная конструкция занимает слишком много места, чтобы была возможность предоставить её к обзору. Несмотря на то что это был один из первых опытов по созданию действующей машины, компьютер оставался в рабочем состоянии целых 10 лет и в момент своего создания сыграл огромную и незаменимую роль в развитии компьютерных технологий.

В дальнейшем машины становились всё меньше, а их возможности все обширнее. В 1976 году вышел первый Apple-1. А первая компьютерная игра увидела свет в недалёком 1962 году. Даже сейчас развитие компьютерных технологий не стоит на месте. А как вы думаете, что нас ждёт в будущем?