Курсовая работа: История развития микропроцессоров

Микропроцессор i80386, изготовленный на 1 кристалле с сопроцессором, назывался i80386DX. Более дешевая модель 32-разрядного микропроцессора появилась только в июле 1988г (i80386SX). Новый микропроцессор использовал 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. Это было особенно удобно для стандартного IBM PC AT. Программное обеспечение, написанное для i80386DX, работало на i80386DX. Внутренние регистры были полностью идентичны. Индекс SX произошел от слова "шестнадцать"(16-разрядная шина данных). Для i486 SX стал означать отсутствие сопроцессора. На осенней выставке в 1989г Intel анонсировала i80486DX, который содержал 1.2 млн. транзисторов на одном кристалле и был полностью совместим с остальными 86-ми процессорами. Новые микросхемы впервые объединили на 1 кристалле ЦП, сопроцессор и Кэш-память. Использование конвейерной архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволяющим достичь 4-х кратного производительности обычных 32-разрядных систем. 8Кб встроенной Кэш-памяти ускоряли выполнение за счет промежуточного хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц микропроцессор имел производительность 16.5 Mips. Созданная в январе 1991г. версия микропроцессора с тактовой частотой 50 МГц позволял увеличить производительность еще на 50%. Встроенный сопроцессор существенно ускорял математические вычисления, однако впоследствии стало ясно, что подобный микропроцессор необходим только 30% пользователей.

3 Микропроцессоры i80486

Появление нового микропроцессора i80486SX можно считать одним из важнейших событий 1991г. Предварительные испытания показали, что i486SX с частотой 20 МГц работал примерно на 40% быстрее i486DX с частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX содержит на кристалле КЭШ память, а математический сопроцессор заблокирован. Если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и на рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. В семействе i486 предусмотрены несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: команды поддержки, механизм семафоров памяти. Аппаратно реализовано выявление недостоверности строки Кэш-памяти, обеспечивающее согласованность между несколькими модулями Кэш-памяти. Для микропроцессоров семейства i486 допускалась адресация физической памяти 4Gb и виртуальной памяти размером 64 Тб. К концу 1990г 32-разрядные микропроцессоры стали стандартными для компьютеров Notebook, однако, типичные микросхемы i386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков портативных компьютеров. В 1990г фирмой Intel был разработан i386SL, который представлял собой интегрированный вариант микропроцессора i386SX, базовая архитектура которого была дополнена еще несколькими контроллерами. Все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в 2 микросхемах: микропроцессор i80386SL и периферийный контроллер i82360SL. В набор i386SL впервые введены новые прерывания SMI, которые могли быть использованы для обработки событий, связанных с управлением потребляемой мощностью. Вместе с мат. сопроцессором i80387SL данный набор микросхем позволял создавать компьютер на площади, ненамного превышающей размер игральной карты. Микросхема i80486SL представляет собой самый производительный процессор серии SL, разработанный Intel в конце 1992г. По производительности он уступает i80486DX, но, благодаря пониженному напряжению питания (3.3 V), он может эффективно использоваться в портативных компьютерах. Производительность систем такого типа повышается за счет 16-разрядной шины PI-интерфейса, который поддерживает быстрый интерфейс графического дисплея и устройств хранения информации на основе Flash-памяти.

В 1992 году Intel объявила о создании 2-го поколения МП, названных i486DX2. Они обеспечивали новую технологию, при которой скорость работы ядра МП в 2 раза выше скорости остальной части системы. Тем самым появилась возможность объединения высокой производительности МП с внутренней частотой 50МГц и эффективные по скорости 25/33МГц системы. Новые микросхемы по-прежнему включали в себя ЦП, математический сопроцессор и кэш-память на 8Кб. Компьютеры, построенные на базе i486DX2, работают приблизительно на 70% быстрее тех, что основаны на МП i486DX2 первого поколения. Несколько позже появились процессоры на базе i486SX2, в которых отсутствует встроенный сопроцессор. Следует напомнить, что технология умножения частоты стола использоваться на процессорах OverDrive. Основное отличие DX2 и OverDrive в том, что первые монтируются на системной плате еще при сборке машины, а вторые устанавливаются самим пользователем. Внутренние функциональные узлы используют удвоенную тактовую частоту, в то время как остальные элементы системной платы работают с обычной скоростью. Это позволяет увеличить производительность системы за счет хранения части данных и выполняемых кодов во внутренней кэш-памяти. Повышенная производительность сопровождается существенным увеличением потребляемой мощности. В настоящее время технология умножения частоты находит широкое применение практически во всех современных МП. Так фирма Intel выпускает серию МП DX4 (DX4-75,83,100,120). Напряжение питания этих МП 3.3В. Кол-во транзисторов 1.6 млн.

4 Процессоры Pentium

В марте 1995 г. Intel объявила о поставке 66,60МГц версии МП, известного ранее как 586. Эти системы полностью совместимы с МП i86, 286, 386, 486. Новая Микросхема содержит около 3,1 млн. транзисторов и имеет 32-х разрядную адресную и 64-х шину данных, что позволяет обмен данными с системной платой со скоростью 528 Мб/с. В отличие от 486, при производстве которого использовалась КМОП технология, при производстве PentiumIntel применила 0.8 микронную Bi-CSOS технологию. Р166 имеет производительность около 112 MIPS. Суперскалярная архитектура содержит 2 пяти ступенчатых блока исполнения, работающих независимо, и обрабатывающих 2 инструкции за 1 такт синхронизации. Pentium имеет 2 разделённых кеша по 8Кб для команд и данных. Одним из наиболее интересных новшеств является небольшая кэш-память, называемая буфером меток переходов, который позволяет динамически предсказывать переходы в исполняемых программах. По скорости оперирования с плавающей точкой Pentium оставил далеко позади всех своих собратьев по классу. Это достигается благодаря реализации оптимизированных алгоритмов, а также спец. аппаратных блоков сложения, умножения и деления с 8-и ступенчатой конвейеризацией, что позволяет выполнять операции с плавающей точкой за 1 такт. В настоящее время выпускаются версии Pentium с внутренним умножением частоты в 1.5/2 раза (75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66). Для снижения рассеиваемой мощности с 13 до 4 Вт напряжение питания снижено до 3,3В. Три режима потребления рассчитаны на максимальный ток в 1A, 50мА, 100мкА. Кол-во выводов возросло до 296. Для производства кристалла стала использоваться 0.6 микронная Bi-CMOS технология. Кол-во транзисторов возросло до 3.3 млн.

1 ноября 1995 года Intel объявила о начале коммерческих поставок МП нового поколения P6, в основе которого лежит комбинация технологии многократного предела ветвления, анализ потоков данных и эмуляция выполняемых инструкций. В корпусе Микросхема размещаются 2 кристалла: 256/512Кб кэш-память 2-го уровня и сам МП. На кристалле процессора располагается 16Кб кеш 1-го уровня. В семейство Р6 входит МП с тактовыми частотами 200, 166, 150 МГц. Производительность Р6 - 200 по тесту производительности соответствует 366, т.e. этот МП превосходит свой аналог в RISC. Число транзисторов МП 5,5 млн. а кеш памяти 31 млн. При напряжении питания около 3В МП вместе с кеш памятью рассеивает 14Вт. Изделие выполнено в квадратном корпусе с 387 выводами. Архитектура Р6 позволяет объединять между собой множество МП создавая таким образом непревзойденную масштабируемость. Специально для Р6Intel разработал 2 набора Микросхема для шины PCI. Развитие линии Р6 пойдет в направлении увеличения тактовой частоты и снижения размеров технических норм, а также увеличения емкость кэша 1-го уровня до 32Кб, кроме того предполагается совершенствование архитектуры с учетом технологии мультимедиа, в частности цифровой обработки видео. Совершенно новый и необычный МП Р7, совместно разработанный Intel и HP, появился в 1997 году. Он поддерживает длинные инструкции и имеет производительность 1млд. MIPS.

5 Производительность процессоров

До недавнего времени основной мерой производительности МП являлась их тактовая частота, однако по мере усложнения архитектуры (RISC-ядро, встроенный кеш, технология внутреннего умножения частоты) данный параметр работы МП хотя и остался одним из важнейших, но уже не был определяющим. В 1992 году Intel предложила индекс для оценки производительности своих МП iCOMP. Индекс представляет собой число, которое выражает производительность МП семейства i86. Производительность 486SX-25 принимается за 100. При вычислении индекса учитываются операции со следующими "взвешенными" компонентами: 16-разрядные целые 57%, 16-р вещественные 13%, 32-р целые 25%, 32-р вещественные 5%.

Таблица индексов iCOMP

Модель	iCOMP
486sx2-50	180
486dx4-100	435
P60	510
P166	1308

6 Сопроцессоры

Важной характеристикой любого ПК является его быстродействие. Для ряда компьютерных задач одним из самых критичных параметров выступает скорость выполнения операций с плавающей точкой. Даже самые мощные МП тратят на такие вычисления много времени, поэтому вполне логично было создание для этой цели специальных устройств - Микросхема математического сопроцессора. До недавнего времени сопроцессор представлял собой специализированную микросхему, работающую во взаимодействии с МП. Данная Микросхема была предназначена только для выполнения мат. операций. Во всех МП Intell от 486DX и выше сопроцессор интегрирован на кристалле МП. С другой стороны, хотя и компьютер определяется как "тот, кто вычисляет", масса современных программных приложений вовсе не требует выполнения сложных мат. операций. Если не затрагивать специальных физических или математических задач моделирования, можно однозначно сказать о необходимости сопроцессора для работы с 3-хмерной графикой, издательскими пакетами, электронными таблицами и т.д. При работе же с БД или обычными текстовыми редакторами использование сопроцессор вовсе не обязательно. По некоторым оценкам только 1/3 пользователей эффективно используют математический сопроцессор.

Первым математическим сопроцессором для ПК IBM стал i8087 производства Intell, который появился в 1980 году. Со временем, помимо чисто Intell-x сопроцессоров, появились сопроцессор и ряда других фирм. CYRIX предлагал один из самых быстрых сопроцессоров, основанных на классической архитектуре. Причем гарантировалась полная совместимость с сопроцессорами Intell. Производительность этой микросхемы несколько выше потому, что все критичные по времени выполнения операции реализованы в данной микросхеме с использованием жесткой логики (аппаратный умножитель, отдельное арифметико-логическое устройство для вычисления мантиссы и т.д.). Повышение производительности особенно заметно при вычислении квадратного корня или тригонометрических функций. Он еще и точнее Intell-го.

Weitek была основана в 1981 году несколькими инженерами, покинувшими Intell. Выполнение простых операций с одинарной точностью на сопроцессоре Weitek происходит менее чем за 200 нс., тогда как сопроцессор, использующий классическую архитектуру, выполняет подобные операции за 1.5 мкс. Обращение к сопроцессору происходит как бы через ОЗУ. Таким образом, загрузив операнды в область памяти, соответствующей сопроцессору, следующей командой можно уже считывать результат. Применение сопроцессора Weitek имеет смысл только тогда, когда он поддерживается программным обеспечением. В связи с этим сопроцессор Weitek находит достаточно ограниченное применение.

Список литературы

1. Уинн Л. Рош «Библия по техническому обеспечению Уинна Роша»

2. Н.Н. Щелкунов, А.П. Дианов «Микропроцессорные средства и системы», 1989г