Аркадий Воловник - Знакомьтесь, информационные технологии

Микропроцессор. Мы так привыкли к этому названию, что уже не вспоминаем, что еще не так давно (лет тридцать тому назад) процессоры были далеко не «микро». Более того, первые процессоры были механическими. Совсем недавно в бухгалтериях использовались механические счетные машинки, в которых арифметические действия выполнялись с помощью набора вращающихся зубчатых колес. Первые компьютеры, выполненные на электронных лампах, имели процессоры, занимающие несколько комнат. Транзисторные компьютеры были значительно меньше – их процессор умещался в нескольких шкафах.

Немного истории

И только в 1971 году компания Intel, объединив в одном кристалле несколько тысяч транзисторов, создала первый микропроцессор – легендарный Intel 4004. Название показывает, что этот прибор мог работать с 4-разрядными словами. Низкая частота работы и ограниченный набор инструкций (команд для выполнения программы) – так можно говорить только сегодня. А тридцать лет назад это был лучший процессор и единственный «микро». 4-разрядная структура процессора Intel 4004 означает, что для обработки 16-разрядного слова необходимо устанавливать четыре микропроцессора, на каждом из которых ведется работа с четырьмя разрядами. На рис. 2.1 показана структура 16-разрядного процессора, выполненного из четырех 4-разрядных микропроцессоров. На одном микропроцессоре можно проводить вычисления 4 раза, т. е. затрачивать на обработку одного слова 4 такта работы компьютера. На рис. 2.2 показана организация работы одного процессора при переработке 16-разрадного слова.

Рис. 2.1. Структура 16-разрядного процессора

Рис. 2.2. Организация работы одного процессора

Для того чтобы не увеличивать габариты компьютера и ускорить его работу, процессоры стали делать многоразрядными: Intel 8086, 80186 и 80286 работали с 16-разрядными числами, а начиная с Intel 80386 процессоры стали 32-разрядными. Теперь подошло время 64-разрядных процессоров.

Немного классификации

Сегодня можно выделить три основных класса компьютеров: мощные серверы и суперкомпьютеры; персональные компьютеры (PC), мобильные компьютеры. Некоторые компьютеры находятся на «границе» между классами. Так, мощные рабочие станции по своим характеристикам ближе к серверам, хотя предназначены для персонального использования, как PC. Соответственно, выпускается три группы микропроцессоров, каждая из которых ориентирована на свой класс компьютеров. В табл. 2.1 приведена классификация основных выпускаемых сегодня процессоров.

Современные процессоры имеют центральную часть (ядро), окруженную дополнительными узлами. На одном кристалле, кроме процессора, находятся также сопроцессор (обеспечивающий работу с числами с плавающей точкой), схемы работы с группами операндов, кэш-память (объемом до нескольких мегабайт) и другие узлы. Реально собственно процессор (его ядро) занимает на кристалле не более 10 % площади. Одно ядро может использоваться для процессоров, ориентированных на различные сегменты рынка. Сегодня процессоры характеризуются следующими параметрами:

• количество транзисторов в одном кристалле превосходит 40 миллионов;

• частота работы – 2 ГГц;

• разрядность обрабатываемого слова – 32 или 64;

• число инструкций – превысило 200.

И вот в своем поступательном движении процессор достиг определенного предела [28] . И, естественно, стал трансформироваться, причем сразу в трех направлениях.

Во-первых, на одном кристалле стали размещать сразу несколько процессоров. Такое построение является идеальным для создания многопроцессорных компьютеров [29] . Двухпроцессорные кристаллы выпускают IBM и Sun. Intel также сообщил о начале работ над микросхемой, включающей два процессора, каждый из которых имеет свою кэш-память и общий кэш второго уровня.

Во-вторых, процессор стал включать в себя дополнительные устройства, такие как звуковые схемы, устройства для работы с графикой, узлы ввода/вывода информации и другие элементы, позволяющие значительно сократить число электронных компонентов в компьютере. Такое решение очень актуально для мобильных устройств. В процессоре MediaGX (National Semiconductor), сделанном по идеологии PC-on-a-chip (компьютер на кристалле), к ядру добавлены контроллеры памяти и видеоускоритель. Здесь же находится кэш-память объемом 64 Кбайт.

Третье направление связано с дальнейшей интеграцией. К микропроцессору (CPU) были добавлены необходимые для компьютера устройства. В результате на одном кристалле реализован микрокомпьютер, который состоит из: