Развитие моделей процессоров и их характеристик

Первый 16-разрядный процессор i8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Часто­та – 5 Мгц, позже появились процессоры с частотой 8 и 10 МГц. Технология 3 мкм, 29 000 тран­зисторов. Адресуемая память 1 Мбайт. Через год появился i8088 – тот же процессор, но с 8-разрядной шиной данных. С него началась исто­рия IBM PC, неразрывно связанная со всем дальнейшим развитием процессоров Intel. Массовое распространение и открытость архитектуры IBM PC привели к лавинообразным темпам появления нового программного обеспечения, разраба­тываемого крупными, средними и мелкими фирмами, а также энтузиастами-оди­ночками. Технический прогресс тогда и сейчас был бы немыслим без развития процессоров, но, с учетом огромного объема уже существующего программного обеспечения для PC, уже тогда возник принцип обратной программной совмести­мости – старые программы должны работать на новых процессорах. Таким обра­зом, все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к существующему ядру.

Процессор i80286, знаменующий следующий этап архитектуры, появился только в 1982 году. Он уже имел 134 000 транзисторов (технология 1,5 мкм) и адресовал до 16 Мбайт физической памяти. Его принципиальные новшества – защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гбайт – не нашли массового приме­нения; процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

Рождение 32-разрядных процессоров (архитектура IA-32) ознаменовалось в 1985 году моделью i80386 (275 000 транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность шины данных (как и внутренних регистров) достигла 32 бит, адресуемая физическая память – 4 Гбайт. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищенный режим, были введены виртуальный режим и страничное управле­ние памятью. Процессор нашел широкое применение в PC; на его “благодатной почве” стал разрастаться Microsoft Windows с прило­жениями. С этого времени стала заметна тенденция “положительной обратной связи”: на появление нового процессора производители ПО реагируют выпуском новых привлекательных продуктов, последующим версиям которых становится тесно на новом процессоре. Появляется более производительный процессор, но и его ресурсы быстро признаются недоста­точными.

История процессора 80386 повторила судьбу 8086/8088: первую модель с 32-раз­рядной шиной данных (впоследствии названной 386DX) сменил 386SX с 16-раз­рядной шиной. Он довольно легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее бази­ровавшуюся на процессоре 80286.

Процессор Intel 486DX создан в 1989 году. Транзисторов – 1,2 миллиона, техноло­гия 1 мкм. От процессора 80386 существенно отличается размещением на крис­талле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора – FPU (предыдущие процессоры использовали внешние сопроцессоры х87). Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессора, применением внутреннего умножения частоты, политикой кэширования и другим. Тогда же Intel занялась энергосбере­жением, что отразилось и в линии 386 – появился процессор Intel386SL.

В 1993 году были созданы первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц – 32-разрядные процессоры с 64-разрядной шиной данных, транзисторов – 3,1 миллиона, технология 0,8 мкм, питание 5 В. От 486 процессор Pentium принципиально от­личается суперскалярной архитектурой – способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году, пред­ставляли второе поколение этих процессоров. При почти том же числе тран­зисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потреб­ляемую мощность. От первого поколения они отличались внутренним умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и другим типом кор­пуса. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных при­менений (блокнотных PC). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярными в PC. В 1995 году были выпущены процессоры на 120 и 133 МГц, выполненные уже по технологии 0,35 мкм (первые процессоры на 120 МГц делались по технологии 0,6 мкм). 1996 год называют годом Pentium – появились процессо­ры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором в массовых PC.

Параллельно с Pentium развивался и процессор Pentium Pro, который отличался “динамическим исполнением”, направленным на увеличение числа параллельно исполняемых инструкций. Кроме того, в его корпусе разместили вторичный кэш, работающий на частоте ядра, – для начала объемом 256 Кбайт. Однако на 16-раз­рядных приложениях, а также в среде Windows 95 он был ничуть не быстрее Pentium. Процессор содержит 5,5 миллионов транзисторов ядра и 15,5 миллионов транзисто­ров для вторичного кэша объемом 256 Кбайт. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года были достигнуты частоты 166, 180 и 200 МГц (технология 0,35 мкм), а кэш увели­чен до 512 Кбайт.

После долгих обещаний в начале 1997 года фирма Intel выпустила процессоры Pentium ММХ. Технология ММХ (MultiMedia extensions, мультимедийные рас­ширения) предполагает параллельную обработку группы операндов одной инст­рукцией. Технология ММХ призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений, в частности операций с изображениями и обработки сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Кроме того, ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется обра­ботка 80-битных операндов. Кроме ММХ, эти процессоры, по сравнению с обыч­ным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производитель­ность Pentium ММХ на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 миллиона транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм. Развитие линейки моделей Pentium ММХ сейчас остановилось. Последние достигнутые тактовые частоты – 166, 200 и 233 МГц. Для мобильных применений (блокнотных ПК) процессоры под кодовым названием Tillamook выпускались по технологии 0,25 мкм, тактовая частота достигла 266 МГц при уменьшенной потребляемой мощности.

В мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое ввели поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша и процессорного ядра в корпусе одной микросхемы преодолели простым спосо­бом – кристалл с ядром (processor core) и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате-картридже. Первые процессоры имели частоту ядра 233, 266 и 300 МГц (технология 0,35 мкм), летом 1998 года была достигнута частота 450 МГц (технология 0,25 мкм), причем внешняя тактовая частота с 66 МГц повысилась до 100 МГц. Вторичный кэш этих процессоров работает на половине частоты ядра.

В 1999 году появились процессоры Pentium III. Частота ядра подбира­ется к 1 ГГц, частота системной шины – 100 и 133 МГц. На базе Pentium II появилось семейство “облегченных” процессоров Celeron, сначала без вторичного кэша, а потом и с интегрированным вторичным кэшем размером 128 Кбайт. Для мощных компьютеров имеется семейство процессоров Хеоn, которое охватывает и Pentium II, и Pentium III. Для этих процессоров характерен больший объем вторичного кэша, поддержка более чем двухпроцессорных конфигураций и более крупный картридж. Есть процессоры Pentium II/III и для мобильных при­менений.

Конечно, перечисленными моделями не исчерпывается весь мировой ассорти­мент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, име­ющих обобщенное название х86. Ряд фирм (например, AMD, Cyrix, IBM) выпуска­ет процессоры, совместимые с перечисленными процессорами Intel и имеющие свои характерные особенности. Обычно они слегка отставали от изделий Intel, выпускаемых в то же время. Однако процессор К7 от AMD изменил ситуацию. Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments, IBM) имеет разработки процессоров, существенно отличающиеся от семейства х86; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них присутствуют и гораздо более мощные процессоры, относящиеся как к RISC, так и к CISC архитектуре.