Вступление

В этой работе я постараюсь, как можно шире описать все, ну или почти все виды микропроцессоров и микропроцессорных технологий, существующих со времён, когда компания Intel выпустила первый в мире 16 разрядный процессор под маркировкой «8086».Был это 1978 год.… И, как говорится, понеслось: 16,32,64 разряда, разрабатывались новые и всё более совершенные технологии, совершенствовалось производство, падала цена… что для конечного пользователя не так уж и маловажно и зачастую является определяющим решением при покупке компьютера. Да и сейчас не каждый решится выложить $1200 за 64-х разрядный процессор Itanium от Intel’а.

Различия между CISC и RISC процессорами

Аббревиатура RISC (Reduced Instruction Set Computer) появилась в середине 80-х годов XX века, когда ученые из Беркли сообщили о создании "компьютера с ограниченным набором команд". Именно в те времена произошло великое разделение, и остальные компьютеры стали называть CISC (Complete Instruction Set Computer - компьютеры со сложным (расширенным) набором команд). Так, к CISC-процессорам относятся Intel 80x86 и Pentium, Motorola MC680x0, DEC VAX. Класс RISC-процессоров составляют такие монстры как Alpha, Sun, Ultra SPARC, MIPS, PowerPC и некоторые другие.

RISC-процессоры характеризуются следующими особенностями:

• удалены сложные и редко используемые инструкции;
• все инструкции имеют одинаковую длину, что позволяет уменьшить сложность управления процессором и увеличить скорость обработки команд;
• отсутствуют инструкции, работающие с памятью напрямую, все данные загружаются только из памяти в регистр и наоборот;
• отсутствуют операции работы со стеком;
• применение конвейера параллельных вычислений;
• большинство операций производятся за один такт микропроцессора.

Тактовая частота RISC-процессоров (при прочих равных условиях) выше CISC-процессоров, более того, в RISC - микропроцессорах появилась возможность работы различных его составляющих на разных тактовых частотах. Поэтому при указании тактовой частоты процессора выбирают его максимальную частоту.

Аббревиатура CISC означает Complete Instruction Set Computer – компьютер со сложным (полным) набором команд. Несмотря на то, что первый CISC-процессор был разработан компанией IBM (она до сих пор их использует в мейнфреймах типа IBM ES/9000), лидером производства считается компания Intel. CISC отличается малым количеством регистров общего назначения, большим количеством машинных команд (откуда следует и название). Это приводит к усложнению декодирования инструкций, что в свою очередь приводит к расходованию аппаратных ресурсов. Слабость CISC архитектуры заключается в том, что 80 процентов вычислений процессора приходилось на 20 процентов команд. Хоть в RISC процессорах как раз и используются только 20 процентов этих команд, но им требуется сложное программное обеспечение.

Процессоры, основанные на CISC архитектуре

16-ти разрядные процессоры i8086 - i80286

Процессоры вообще появились очень давно - в середине 50-х годов теперь уже прошлого века, правда, сначала в виде монстров, работающих в компьютере размером со среднее здание. Затем началась эра миниатюризации, и в производстве появились первые микропроцессоры. Компьютеры на их базе уже умещались не только в комнате, но даже на рабочем столе. Характерная черта этих процессоров - они были 8-битными.

8086

Следующим этапом развития камней становится 1978 год. Именно тогда Intel выпустил свой первый 16-разрядный проц с маркировкой «8086». Для своего времени этот камень имел неплохие характеристики: тактовая частота 5 МГц (позже появились процессоры 8 и 10 МГц), производительность 0,33 MIPS, технология 3 мкм, 29 тыс. транзисторов составляли кристалл, 1 Мб адресуемой оперативной памяти, конвейер 8086 имеет 6-байтную очередь инструкций. И самый главный бонус - инструкции стали уже с 16-битными операндами, то есть камни перешли на качественно новый уровень. Регистры и система команд были переработаны (в отличие от 8080), хотя некоторое сходство проследить можно. Это процессор получил признание общественности, но из-за дороговизны многие не могли его себе позволить.

8088

Через год на рынок выходит Intel-процессор 8088. Сущность ядра не изменилась, была немного повышена тактовая частота (стала около 10 МГц) и изменена шина данных: она стала 8-битной (напомню, что шина данных у 8086 16-разрядная). Это было сделано для снижения цены на камни и системы в целом, но, как ты понимаешь, любое уменьшение разрядности шины не приводит ни к чему хорошему, и поэтому модель 8086 получила довольно сильное общее снижение производительности. Ее предок, при равной тактовой частоте, работал на 20-60% быстрее, чем 8088! Функциональные различия этих процессоров, обусловленные разной разрядностью шины, проявляются только в способе подключения 8- и 16-разрядных внешних девайсов. Больше отличий от 8086 не объявлялось, и поэтому очень часто 8088 считают модификацией 8086. У этих процессоров уже включена возможность подключения сопроцессора (например, математического – он был необязательным и, к тому же, довольно дорогим). Команда выполняется в среднем за 12 тактов синхронизации. Эти камни стояли в IBM XT(позже еще и в IBM Turbo-XT) машинах и были предками современных железных мозгов наших компов.

i80286

В 1982 году Intel выпускает следующего представителя х86 семейства: Intel i80286 - процессор, в народе именовавшийся "двойкой". Этим процессором ознаменовывается попытка Интела ввести защищенный режим в массы: 286 камень поддерживал переход в него. Его характеристики: 134000 транзисторов (технология 1,5 мкм), адресация до 16 Мбайт физической памяти, способность адресоваться к виртуальной памяти размером до 1 Гбайт, 16-битная шина данных и очередь команд в 6 байт, частота от 10 МГц. Если кратко, то он имел 2 значительных плюса: защищенный режим и виртуальная память до 1 Гб. В начале 80-х годов эти преимущества 286 проца реализованы не были. Интел дал только задатки, но софтварный мир не был готов их реализовать - основной ОС был DOS, по определению работавший в реальном режиме и к тому же однозадачный. А виртуальная память в 1 Гб была лишней, особенно если вспомнить, что винт среднего ПК был не больше 100 метров. Кстати, для переключения в защищенный режим была введена специальная инструкция, обратный же переход был возможен только с помощью кнопки reset ;-).

Появление псевдомногозадачности (пседво потому, что если в твоей машине 1 процессор, то в определенный, пусть и малый момент, твоя ОС выполняет какую-то 1 задачу, хоть и переключается между ними очень быстро, создавая такой эффект) позволило создавать многозадачные ОС, типа Unix, Linux, BeOS и, конечно, винды. Дальнейшее развитие получил механизм виртуальной памяти, и начиная с этого проца ее объем стал 1 Гб для каждой задачи. Стали активней применяться сопроцессоры: уже у многих 286 камней был математический сопроцессор, маркированный 80287, что позволяло повысить производительность системы в целом. Программная модель процессора особых изменений не претерпела: основа 8086 сохранилась, но были добавлены новые инструкции для работы с защищенным режимом и инструкции, использующие PIO (Programmable Input/Output), что позволило повысить производительность работы с оперативной памятью. За счет таких архитектурных нововведений удалось повысить производительность процессора: 80286 с тактовой частотой 12,5 МГц работает более чем в 6 раз быстрее, чем его предшественник 8086 с частотой 5 МГц. В заключение скажу, что именно этот камень стал самым популярным, и именно он продвинул Интел в нишу домашних ПК.