Глава 2. Микропроцессорные системы

2.1. Основы микропроцессора

Чтобы понять, что такое микропроцессор (МП) и как он работает, необходимо усвоить несколько понятий.

Автомат - устройство, выполняющее некий ограниченный набор функций самостоятельно по заданной программе.

Программа - набор команд, выполняемых автоматом.

Команда - задание на выполнение автоматом определенного действия.

Память программ - устройство, которое хранит программу автомата.

Рассмотрим работу шарманки - музыкального автомата. Шарманка состоит из набора регистров, каждый из которых способен при его возбуждении издавать звук определенной тональности. Порядок и число возбуждений в каждый момент времени определяются меткой на специальном диске, вращающемся по кругу. Значит, меняя число и положение меток, мы можем получать различные мелодии.

Итак, шарманка - это автомат, диск - это память программ, метка - это команда для автомата. Теперь несложно понять, что же такое микропроцессор.

Как уже упоминалось, микропроцессор выполняет определенный набор команд, например чтение/запись памяти программ и данных, пересылку и загрузку данных, в памяти ЭВМ. Правда, на ранних этапах развития вычислительной техники программы существовали в виде отверстий в перфокартах или перфолентах и заносились на специальные наборные поля. Сейчас, как правило, они хранятся на магнитных носителях - гибких и жестких магнитных дисках.

2.2. Основные исторические сведения о развитии микропроцессоров

Первый универсальный микропроцессор 4004 фирмы Intel появился в 1971 г. Он мог выполнять любую программу из системы своих команд, которых, кстати, было всего 45. Мог ввести данные, обработать их и вывести результаты. Длина слова этого микропроцессора составляла всего 4 бита, а адресное пространство ограничивалось 4,5 Кбит. Он был ориентирован на применение в калькуляторах. Микропроцессор содержал около 1000 транзисторов и выполнял 8000 операций в секунду.

Рис. 1.1. Основные микропроцессорные семейства фирмы Intel

Через несколько лет фирма Intel выпустила микропроцессор 8008 (аналог 4004) с длиной слова 8 бит и 8080 - достаточно мощный для создания небольшого компьютера. Микропроцессор 18080 может выполнять десятичные и 16-битные арифметические операции, вызывать подпрограммы и адресовать память до 64 Кбайт. Шина данных имеет разрядность 8, а шина адреса - 16 бит. В России аналогом такого процессора стал микропроцессор КР580ИК80.

В последующие 10 лет число транзисторов в микропроцессоре увеличилось в 70 раз, размер слова составил 16 бит, а быстродействие возросло в 100 раз. Хотя уже были достигнуты некоторые физические ограничения для кристаллов, рынок стимулировал аналогичное развитие и в 1980-е гг. появляется микропроцессор I80386.

Последующей эволюцией в развитии микропроцессоров стало появление первого процессора со встроенным математическим сопроцессором 180486 в 1989 г. и Pentium в 1993-м.

В 1995 г. был разработан процессор Pentium Pro (150 МГц, 512 Кб кэш), позиционирующийся как серверный. Он отличался от аналогов большим кэшем и архитектурой, частично заимствованной у процессоров с архитектурой RISC. В Pentium Pro Intel впервые включил технологию динамического исполнения (Dynamic Execution), т. е. инструкции могут исполняться не только последовательно, но и параллельно с помощью предсказания ветвей кода и переупорядоченного исполнения инструкций. Тем самым значительно повысилась эффективность процессора - количество команд, выполняемых за такт.

В 1998 г. был выпущен процессор Pentium II Хеоп. Системы, основанные на этом процессоре, могли быть сконфигурированы из 4, 8 и более процессоров.

В конце февраля 1999 г. были анонсированы Pentium III. Изготовлены по технологическому процессу 0,25 мкм, ядро Katmai, добавлен набор инструкций SSE, размер L1 кэш - 32 Кб (16 + 16), L2 кэш - 512 Кб (работает на половине частоты ядра, расположен рядом с микросхемой процессора в картридже).

В конце ноября 2000 г. Intel представляет процессор Pentium 4 (кодовое название Willamette), архитектура NetBurst которого коренным образом отличается от своей предшественницы Р6. Основным отличием было увеличение конвейера до 20 стадий, что позволило сильно увеличить частоту процессора. Тактовая частота первых экземпляров составила 1.4 и 1.5 ГГц. Интересный факт: арифметико-логическое устройство данного процессора работает на частоте, в два раза превышающей частоту ядра! В новом процессоре также обновился блок инструкций SSE, дополнился еще 144 инструкциями и стал именоваться SSE2. Претерпел изменения и кэш первого уровня, его объем сократился до 8 Кб для данных, для хранения инструкций появился новый переработанный кэш (Trace Cache).

Дальнейшее развитие процессоров Intel было связано с переходом на 64- битную архитектуру - IA-64 (Intel Architecture-64 bit). Основной идеологией новых процессоров стала технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing - обработка команд с явным параллелизмом). Само собой, сходств между RISC и EPIC осталось предостаточно, однако EPIC технологически выглядит намного совершеннее и по праву может считаться полноценной эволюцией идеологии RISC. Параллельность выполнения команд, которая является одним из ключевых преимуществ IA-64, достигается благодаря тому, что команды теперь поступают группами по три штуки (так называемый пучок команд), причем мощный процессор способен за один цикл обработать сразу несколько подобных пучков. Внутри процессора выполнение команд распределяется между соответствующими функциональными блоками, многие из которых для обеспечения идеальной параллельности дублируют возможности друг друга (то есть присутствует несколько блоков для целочисленных вычислений, несколько для вычислений с плавающей точкой и т. д.). Первое воплощение архитектуры IA-64 появилось на свет в мае 2001 г., им стал процессор Itanium.

В настоящее время увеличение производительности процессоров, в основном, ведется за счет применения многоядерной архитектуры Multi-core Intel Processors. Одним из представителей такой архитектуры является линейка процессоров Intel Xeon Processor 5400, произведенных по 45-нанометровой технологии. На базе данных процессов возможно построение современных высокопроизводительных масштабируемых многопроцессорных систем.