Архитектуры процессора. История развития

Как устроен процессор ? 

Задачи   микропроцессора

Функционально микропроцессор предназначен для решения задач:

-Поэтапное чтение и расшифровывание команд из основной и оперативной памяти, регистров и адаптеров внешних устройств.

-Обработка запросов при обслуживании компонентов пк.

-Синхронизация данных на накопителях данных.

-Генерация сигналов управления узлами и блоками ПК.

Элементы  процессора

Устройство обработки арифметических, логических и любых других числовых, символьных операций, появляющихся по ходу взаимодействия с компьютером.

Центр управления и координации взаимодействия компонентов ПК ( оперативной памяти, подключаемых клавиатурах и мышках, контроллерах USB, наушниках 

Микропроцессорная память, отвечает за последовательное хранение различных данных, действий и команд, для увеличения скорости обработки информации и экономии времени

Интерфейсная система – возможности взаимодействия с процессором через системы ввода-вывода.

1. С чего все началось

Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались  электромеханические реле , дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи

Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TextEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.

  Появление транзисторов

в 1947г были открыты биполярные транзисторы.

Задача компьютера в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел. И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.

Задача транзистора - в усилении слабого сигнала за счет доп источника питания. транзисторы  легируются , т е дополняют кристаллическую решетку кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.

Взяв кремниевую пластину и легировав одну ее часть примесью p-типа, а другую – n-типа- получили  диод  – базовый элемент транзистора.

Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы "–" касался p-стороны пластины, а "+" – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.

Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. "+" от источника к p-стороне, а "–" – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.

Диод + диод = транзистор

транзистор можно представить как 2, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».У N-P-N транзистора две n-области с доп электронами – они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками – p-область, именуемая «базой».

Если подключить источник питания ( V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться  в закрытом состоянии . Но, как только подключим еще 1 источник питания (V2), установив "+" контакт на «централь» p-обл (базу), а "–" контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образован цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результ, электроны потекут в обл коллектора, а слабый эл ток будет усилен.

В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо  открыт , либо  закрыт . Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера ( на стыке p и n пластин) – транзистор будет находится в закрытом состоянии – в состоянии «выключен» или – "0". При достаточно напряжении транзистор открывается, и получаем значение «включен» или "1" в двоичной системе.  Такое состояние, 0 или 1 назвали «битом».

придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали  байтом .

Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.

  логические операторы .

Подключив всего 2 транзистора определ образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации 0 и 1.

транзисторная гонка

От интегральных схем, , инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использ транзисторы. несколько таких чипов уже образовывали сам процессор. До 1964 г все процессоры требовали индивидуального подхода – свой язык программир для каждого процессора. Задачей стало как можно плотнее разместить транзисторы друг возле друга, 

1964 год IBM System/360 . 

70-e г. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel . Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.

1973 г Intel 4040 и Intel 8008 . 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.

1974 г Intel 8080 . 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. 

1976 г Intel 8080 . 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.

1976 г Zilog Z80 . 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.

1978 г Intel 8086 . 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.

1980 г Intel 80186 . 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.

1982 г Intel 80286 . 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.

1982г Motorola 68000 . 3 мкм и 84 000 транзисто. использовался в компьютере Apple Lisa.

198 г Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX

потолок производительности

во время разработки 4 поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов: кэш-памяти; конвейера; встроенного сопроцессора; множителя. появление кэш-памяти с 1 стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее. Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

пересмотр архитектуры работы процессоров

Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.

SPARC; ARM ; PowerPC; Intel P5; AMD K5; Intel P6.

В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы.

Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.

  квантовые компьютеры

Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы

квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.

  процессоры со слоями транзисторов

Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько

Будущее за ARM

• Архитектура ARM  (  Advanced  RISC  Machine)
• Arcon Risk Machine принадлежала к типу RISC, но затем была выпущена ее улучш версия Advanted RISC Machine, которая сейчас и известна как ARM.
• В отличие от CISC, RISC предполагает разработку процессора с минимально необходимым количеством команд, но максимальной оптимизацией. Процессоры RISC намного меньше CISC, более энергоэффективны и просты.

число транзисторов в ARM-процессорах ощутимо меньше, чем в х86 их тепловыделение тоже ощутимо ниже. Но, с другой стороны, из-за упрощенной архитектуры и произво-дительность у ARM тоже ощутимо ниже, чем у x86. .

В дальнейшем к ARM так же прикрутили поддержку и

суперскалярности, и суперконвеерности, процессоры стали

многоядерными и неск лет назад стали 64-битн. В итоге соврем решения от ARM являются суперконвейерными

суперскалярными микропроцессорами, построенными на основе RISC-архитектуры