1.1. Историческая справка

История микропроцессоров началась в 1971 году, когда фирма INTEL выпустила первый микропроцессор i4004. Он имел разрядность данных 4 бит, способность адресовать 640 байт памяти, тактовую частоту 108 кГц и производительность 0,06 MIPS. Такой процессор уже мог работать в качестве вычислительного ядра калькулятора. Он содержал 2300 транзисторов и выполнялся по технологии с разрешением 10 мкм. Через год появился его 8-разрядный "родственник" – i8008, адресующий уже 16 Кб памяти.                           

В 1974 году появился 8-разрядный процессор i8080, ставший весьма популярным устройством. Он имел частоту 2 МГц, адресовал 64 Кб памяти и вмещал 6000 транзисторов благодаря технологии 6 мкм. Процессор требовал трех источников питания (+5, -5 и +12 В) и сложной двухтактной синхронизации. На этом процессоре строились разнообразные терминалы, контроллеры и даже первый персональный компьютер – ALTAIR. В нашей стране запоздалым "эхом" 8080 стали процессоры 580ИК80 и КР580ВМ80, на базе которых в начале и середине 80-х годов делалось много "самодельных" ПК.    

Следующим этапом стал процессор i8085 (5 МГц, 0,37 MIPS, 6500 транзисторов, технология 3 мкм). Он сохранил популярную регистровую архитектуру 8080 и программную совместимость, но в него добавили порт последовательного интерфейса, упразднили специальные ИС поддержки (тактовый генератор и системный контроллер) и несколько изменили внешний интерфейс. Главным подарком разработчикам аппаратуры стал переход на единое питающее напряжение +5 В.

Процессор Z80 фирмы ZILOG явился вариацией на тему 8080 и 8085. Сохранив программную совместимость с 8080, в него ввели дополнительные регистры, что позволило существенно повысить производительность. Результат оказался впечатляющим – еще недавно популярные компьютеры SINCLAIR, построенные на Z80, демонстрировали на играх графику, не уступающую PC на 16-разрядном процессоре 80286.

Первый 16-разрядный процессор i8086 фирма INTEL выпустила в 1978 году. Частота – 5 МГц, производительность – 0,33 MIPS, но инструкции уже с 16-разрядными операндами (позже появились процессоры 8 и 10 МГц). Технология 3 мкм, 29 000 транзисторов. Адресуемая память 1 Мб! Регистровая архитектура и система команд существенно отличалась от 8080, но, естественно, прослеживаются общие идеи. 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. Технический прогресс и тогда, и сейчас был немыслим без развития процессоров, но с учетом огромного объема уже существующего программного обеспечения для PC, уже тогда возник принцип обратной 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 Мб физической памяти. Его принципиальные новшества – защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гб – не нашли массового применения; процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

Рождение 32-разрядных процессоров 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 Гб. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищённый режим, были введены режим V86 и страничное управление памятью. Процессор нашёл широкое применение в PC; на его благодатной почве стал разрастаться "самый большой вирус" – 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 после непродолжительного восторга и его ресурсы быстро признаются недостаточными, и затем история повторяется.

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 появился в 1989 году. Транзисторов – 1,2 млн., технология 1 мкм. От процессора 80386 существенно отличается размещением на кристалле первичного КЭШа и встроенного математического сопроцессора – FPU (предыдущие процессоры использовали внешние сопроцессоры x87). Кроме того, для повышения производительности в этом CISC-процессоре (как и в последующих) применено RISC-ядро. Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессора, применением внутреннего умножения частоты, политикой кэширования и др. Тогда же Intel занялась энергосбережением, что отразилось и в линии 386 – появился процессор Intel 386SL.

В 1993 году появились первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц –     32-разрядные процессоры с 64-разрядной шиной данных. Транзисторов 3,1 млн., технология 0,8 мкм, питание 5 В. От 486 принципиально отличается суперскалярной архитектурой – способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций (что, конечно, не означает возможности прохождения инструкции через процессор за полтакта или один такт).

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году, представляли второе поколение процессоров Pentium. При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения отличались внутренним умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и другим типом корпуса. Появились версии  75 МГц для мобильных применений (Notebook). 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 объёмом 256 Кб. Однако на 6-разрядных приложениях, а также в среде Windows 95 он был ничуть не быстрее Pentium. Процессор содержит 5,5 млн. транзисторов ядра и 15,5 млн. транзисторов для вторичного КЭШа объёмом 256 Кб. 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 Кб.   

После долгих обещаний в начале 1997 года Intel выпустила процессоры Pentium MMX. Технология MMX (Multi Media extensions, мультимедийные расширения) предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология MMX призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработку сигналов. Её 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 MMX в декодерах MPEG2, в которых требуется обработка 80-битных операндов. Кроме MMX эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объём первичного КЭШа и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производительность Pentium MMX на обычных приложениях. Процессоры Pentium MMX имеют 4,5 млн. транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм. Развитие линейки моделей Pentium MMX сейчас остановилось. Последние достигнутые тактовые частоты – 166, 200, 233 МГц.

Технология MMX была соединена с архитектурой Pentium Pro – и 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 MMX. Трудности размещения вторичного КЭШа и процессорного ядра в корпусе одной микросхемы преодолели нехитрым способом – кристалл с ядром (processor core) и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный КЭШ, разместили на небольшой печатной плате-картридже. Все кристаллы закрыты общей крышкой и охлаждаются специальным вентилятором. Первые процессоры имели тактовые частоты 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. Семейство PentiumII динамично развивается, причем имеется широкий спектр вариаций от
относительно дешевых до очень дорогих моделей. Для систем начального уровня появилось семейство Celeron, младшие модели которого вообще не имеют вторичного КЭШа. Новые модели имеют вторичный КЭШ    128 Кб, который теперь разместили прямо на кристалле ядра. Достигнута частота      333 МГц, при этом КЭШ работает на частоте ядра. Для мощных систем имеется процессор PentiumII Xeon с частотой ядра 400 и 450 МГц (частота шины 100 МГц), у которого вторичный КЭШ объемом до 2 Мб работает на частоте ядра. 1999 год – процессор Katmai – развитие PentiumII: частота ядра 450 МГц и выше, расширенный набор инструкций ММХ2, известный под именем KNI (Katmai New Instruction).

Сейчас фирма Intel разрабатывает 64-разрядный процессор под кодовым названием Merced, выпуск которого планируется на конец 2000 года. Его архитектура – IA-64 – должна будет обеспечивать совместимость существующим ПО для используемой ныне архитектуры IA-32.

Конечно же, перечисленными моделями не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только представители семейства микропроцессоров, имеющих обобщенное название х86 (конечно, исключая 4- и 8-разрядные процессоры). Ряд фирм (например, AMD, Cyrix, IBM) выпускают процессоры, совместимые с перечисленными процессорами Intel и имеющие свои характерные особенности. Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments, IBM) имеют разработки процессоров, существенно отличающиеся от семейства х86.

Курс включает изучение устройства, структуры, архитектуры микропроцессоров и микропроцессорных систем, составление алгоритмов, блок-схем, простейших программ на языке «Ассемблера». Это язык мнемоники (сокращения) представлений тер

минов, команд и данных для проведения каких-то вычислений и создания систем управления и регулирования, средств измерения и отображения информации. 

Микропроцессор – это обрабатывающее и управляющее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным управлением обработку информации, включая ввод и вывод информации, принятие решений, арифметические и логические операции.          

Микропроцессорная система – это более сложная система, но микропроцессор является ее ядром, наиболее значимой частью. Первый микропроцессор появился в 1971 г. в США (Интел 4004). В наше время их насчитывается больше ста различных типов, и они выполняются в виде микропроцессорных комплексов (МПК) БИС-МП, ОЗУ, ПЗУ, УВВ, УИ, ППА ПИТ и т. д., где МП – микропроцессор, ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, УВВ – устройства ввода и вывода, УИ – устройство интерфейса, ППА – программируемый периферийный адаптер, ПИТ – программируемый интервальный таймер. Например, МПК КР580 состоит из 29 составляющих БИС.

Микропроцессоры делятся на поколения. К первому поколению относится МП Интел 4004, а сейчас выпускаются МП 14 поколения типа Пентиум.