Алгоритм работы процессора

Алгоритм работы процессора

Содержание

| |Стр. |

|Введение …………………………………………………………………………… |3 |

|1. История развития процессоров ……………………………………………… |4 |

|1.1. Процессоры фирмы INTEL …………………………………….. |5 |

|1.2. Процессоры фирмы AMD ………………………………………. |16 |

|2. Алгоритм работы процессора ……………………………………………….. |22 |

|2.1. Устройство процессора …………………………………………. |22 |

|2.2. Алгоритм работы процессора …………………………………. |24 |

|2.2.1. Арифметико-логическое Устройство …………… |24 |

|2.2.2. Прерывания процессора …………………………. |32 |

|Заключение ………………………………………………………………………… |34 |

|Список литературы ……………………………………………………………….. |35 |

Введение

Одним из основных устройств современного персонального компьютера

является центральный процессор. Который, на первый взгляд, просто

выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако этот кристалл

содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в

совокупности и наделяют компьютер способностью «думать».

История создания микропроцессора началась еще в 50-х годах, когда

на смену электронным лампам пришли компактные «электронные переключатели» -

транзисторы, затем – интегральные схемы, в которых впервые удалось

объединить на одном кристалле кремния сотни крохотных транзисторов. Но все-

таки отсчет летоисчисления компьютерной эры ведут с 1971 года, с момента

появления первого микропроцессора.

За три десятка лет, прошедших с этого знаменательного дня,

процессоры сильно изменились. Современный процессор это не просто набор

транзисторов, а целая система множества важных устройств.

1. История развития процессоров

В настоящее время существуют много фирм по производству процессоров

для персональных компьютеров. Это Intel, AMD, Cyrix, VIA, Centaur/IDT,

NexGen, и многие другие. Однако наиболее популярными являются Intel и AMD.

Развитие процессоров этих ведущих фирм мы и постараемся рассмотреть.

Однако прежде чем углубляться в историю производства процессоров

необходимо дать характеристику некоторым техническим терминам

характеризующих процессор.

Тактовая частота – это скорость работы процессора, а именно

количество операций выполненных на протяжении 1 секунды.

Поколения – поколения процессоров отличаются друг от друга

скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом. Если

просмотреть поколения процессоров фирмы Intel то их было 8 (8088, 286, 386,

486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV).

Модификация – у ведущих и постоянно конкурирующих фирм Intel и AMD

есть две модификации процессоров. У Intel это Pentium и Celeron, у AMD это

Athlon и Duron. Pentium и Athlon это дорогие процессоры для графических

станций или серверов, а Celeron и Duron это процессоры для домашних

компьютеров.

Технология производства – под технологией производства в данном

случае понимают размер минимальных элементов процессора. Так в 1999 году

фирмы перешли на новую, 0,13 – микронную технологию.

КЭШ-память первого уровня – небольшая (несколько десятков килобайт)

сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов

вычислений.

КЭШ-память второго уровня – эта память более медленная, но она

больше от 128 до 512 кбайт.

1.1. Процессоры фирмы Intel

1971г. Intel® 4004

Первый процессор фирмы Intel® был 4-х разрядным, имел 2300 транзисторов и

тактовую частоту 108 кГц. Предназначался для калькуляторов Busicom.

Технические характеристики: 2300 транзисторов; технология производства: 3

мкм; напряжение питания: 5 В; тактовая частота: 108 кГц; общая разрядность:

4.

1972г. Intel® 8008

Этот процессор также имел 2300 транзисторов, но был 8-и разрядным, и

тактовая частота поднялась до 200 кГц. Дон Ланкастер создал на его основе

прототип персонального компьютера. Технические характеристики: 2300

транзисторов; технология производства: 3 мкм; напряжение питания: 5 В;

тактовая частота: 200 кГц; общая разрядность: 8.

1974г. Intel® 8080

Скорость этого процессора уже измерялась в МГц - их было целых два при 8-и

битной разрядности. Число транзисторов возросло более чем в два раза.

Технические характеристики: 6000 транзисторов; технология производства: 3

мкм; напряжение питания: 5 В; тактовая частота: 2 МГц; общая разрядность:

8.

1978г. Intel® 8086

Частота этого процессора поднялась до 10 МГц. На его основе начали

выпускать компьютеры IBM PC. Технические характеристики: 29000

транзисторов; технология производства: 3 мкм; напряжение питания: 5 В;

тактовая частота: 4,77-10 МГц; процессор 16-разрядный; шина данных 16-

разрядная; адресная шина 20-разрядная; общая разрядность: 16.

1979г. Intel® 8088

Отличался от предыдущего тем, что шина данных и общая разрядность были 8-и

битными. Технические характеристики: 29000 транзисторов; технология

производства: 3 мкм; напряжение питания: 5 В; тактовая частота: 4,77-8 МГц;

процессор 16-разрядный; шина данных 8-разрядная; адресная шина 20-

разрядная; общая разрядность: 8.

1982г. Intel® 80186

Неудавшийся, страшно капризный процессор. О нем забыли даже родители: на

сайте Intel® нет о нём никакого упоминания. Технические характеристики:

134000 транзисторов; напряжение питания: 5 В; тактовая частота: 6 МГц;

процессор 16-разрядный; шина данных 16-разрядная; адресная шина 20-

разрядная; общая разрядность: 16.

1982г. Intel® 80286

Этот процессор примечателен тем, что мог выполнять программы, написанные

для любого из его предшественников. Технические характеристики: 134000

транзисторов; тактовая частота: 6-12 МГц; процессор 16-разрядный; шина

данных 16-разрядная; адресная шина 24-разрядная; общая разрядность: 16.

1985г. Intel® 386™ DX

Первый действительно многозадачный CPU (на нём даже Windows95 работает).

Кодовое имя: P9. Технические характеристики: 275000 транзисторов; тактовая

частота: 16-32 МГц; процессор 32-разрядный; шина данных 32-разрядная (16-

32Мгц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.

1988г. Intel® 386™ SX

Low-End версия Intel® 386™ DX. Кодовое имя: P9. Технические характеристики:

275000 транзисторов; тактовая частота: 16-32 МГц; процессор 32-разрядный;

шина данных 16-разрядная (16-32Мгц); адресная шина 24-разрядная; общая

разрядность: 16.

1989г. Intel® 486™ DX

Первый процессор со встроенными КЭШем первого уровня и математическим

сопроцессором (FPU), который существенно ускорил обработку данных. Кодовое

имя: P4. Технические характеристики: 1,25 млн. транзисторов; тактовая

частота: 25-50 МГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на

материнской плате (до 512 Кб); процессор 32-разрядный; шина данных 32-

разрядная (20-50Мгц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.

1990г. Intel® 386™ SL

Мобильная версия 386-го процессора. Кодовое имя: P9. Технические

характеристики: 275000 транзисторов; тактовая частота: 20-25 МГц; процессор

32-разрядный; шина данных 16-разрядная (20-25 Мгц); адресная шина 24-

разрядная; общая разрядность: 16.

1991г. Intel® 486™ SX

Low-End версия Intel® 486™ DX без FPU. Кодовое имя: P23. Технические

характеристики: 0,9 млн. транзисторов; тактовая частота: 20-33 МГц; КЭШ

первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб);

процессор 32-разрядный; шина данных 16-разрядная (19-33 МГц); адресная шина

24-разрядная; общая разрядность: 16.

1992г. Intel® 486™ SL

Версия 486™ DX с расширенными возможностями - контроллер шины ISA, DRAM

контроллер, контроллер локальной шины. Технические характеристики: 1,25

млн. транзисторов; тактовая частота: 25-33 МГц; КЭШ первого уровня: 8 Кб;

КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб); процессор 32-

разрядный; шина данных 32-разрядная (20-33 Мгц); адресная шина 32-

разрядная; общая разрядность: 32.

1992г. Intel® 486™ DX2

Первый полностью 32-х разрядный процессор. Кодовое имя: P24. Тех

характеристики: 1,25 млн. транзисторов; тактовая частота: 50-66 МГц; КЭШ

первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб);

процессор 32-разрядный; шина данных 32-разрядная (25-33 МГц); адресная шина

32-разрядная; общая разрядность: 32.

1992г. Intel® 486™ SX2

Это тот же 486™ SX, но с частотой 50 МГц. Кодовое имя: P23. Технические

характеристики: 0,9 млн. транзисторов; тактовая частота: 50 МГц; КЭШ

первого уровня: 8 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате (до 512 Кб);

процессор 32-разрядный; шина данных 16-разрядная (50 МГц); адресная шина 24-

разрядная; общая разрядность: 16.

1993г. Intel® Pentium® (P5)

Pentium - первый процессор с двухконвейерной структурой. Носил кодовое имя

P5 и выпускался в конструктиве под Socket 4. КЭШ-память впервые была

разделена – 8 Кб на данные и 8 Кб на инструкции. Технические

характеристики: 3,1 млн. транзисторов; технология производства: 0,8 мкм;

тактовая частота: 60-66 МГц; КЭШ первого уровня: 16 Кб (8 Кб на данные и 8

Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб);

процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (60-66 МГц); адресная шина

32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 4.

1993г. Intel® Pentium® (P54C)

Повышение тактовой частоты потребовало перехода на более тонкий 0,50 мкм

технологический процесс, а позднее 0,35 мкм. Кодовое имя: P54C. Технические

характеристики: 3,3 млн. транзисторов; технология производства: 0,5-0,35

мкм; тактовая частота: 75-200 МГц; КЭШ первого уровня: 16 Кб (8 Кб на

данные и 8 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1

Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (50-66 МГц); адресная

шина 32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 5, позднее Socket

7.

1994г. Intel® 486™ DX4

Последняя "четвёрка" с увеличенным до 16 Кб КЭШем первого уровня. Кодовое

имя: P24C. Тех характеристики: 1,6 млн. транзисторов; тактовая частота: 75-

100 МГц; КЭШ первого уровня: 16 Кб; КЭШ второго уровня на материнской плате

(до 512 Кб); процессор 32-разрядный; шина данных 32-разрядная (25-33 МГц);

адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32.

1995г. Intel® Pentium® Pro

Первый процессор шестого поколения. Впервые была применена КЭШ-память

второго уровня, работающая на частоте ядра процессора. Процессоры имели

очень высокую себестоимость изготовления и предназначались для мощных (по

тем, временам) серверов, но имел один недостаток: плохую оптимизацию для 16-

битного кода. Выпускался по технологии 0,50 мкм, а позднее по 0,35 мкм, что

позволило увеличить объем КЭШ-памяти L2 с 256 до 512, 1024 и 2048 Кб.

Кодовое имя: P6. Технические характеристики: 5,5 млн. транзисторов -

процессор, 15,5-31 млн. транзисторов - КЭШ-память; технология производства:

0,5-0,35 мкм; тактовая частота: 150-200 МГц; КЭШ первого уровня: 16 Кб (8Кб

на данные и 8Кб на инструкции); полноскоростной КЭШ второго уровня в одном

корпусе с процессором 256 Кб-2 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-

разрядная (60-66 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая разрядность: 32;

разъём Socket 8.

1997г. Intel® Pentium® MMX (P55C)

По мере увеличения доли мультимедиа в процессорных рассчетах, усиления

требований игр было изобретено расширение MMX (Multi Media eXtention),

содержащее 57 инструкций для вычислений с плавающей точкой, существенно

увеличивающее производительность компьютера в мультимедиа-приложениях (от

10 до 60 %, в зависимомти от оптимизации). Кодовое имя: P55C. Технические

характеристики: 4,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,28 мкм;

тактовая частота: 166-233 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и

16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня на материнской плате (до 1 Мб);

процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (60-66 МГц); адресная шина

32-разрядная; общая разрядность: 32; разъём Socket 7.

1997г. Intel® Pentium® MMX (Tillamook)

Вариант Pentium MMX для ноутбуков - имел пониженные напряжение ядра и

мощность. Механически не был совместим с Socket 7, но имелся переходник на

это гнездо. Кодовое имя: Tillamook. Технические характеристики: 4,5 млн.

транзисторов; технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 133-300

МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ

второго уровня на материнской плате (до 1 Мб); процессор 64-разрядный; шина

данных 64-разрядная (60-66 МГц); адресная шина 32-разрядная; общая

разрядность: 32; разъём TCP или MMC.

1997г. Intel® Pentium® II (Klamath)

Первый процессор из линейки Pentium II, вобравший в себя достоинства

Pentium® Pro и Pentium® MMX. Выпускался в новом конструктиве Slot 1 - это

краевой разъем с 242 контактами (картридж SECC), разработанный для

процессоров модульной конструкции с КЭШ-памятью второго уровня, выполненной

на дискретных микросхемах. Кодовое имя: Klamath. Технические

характеристики: 7,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,35 мкм;

тактовая частота: 233-300 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и

16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня (512 Кб) размещён на процессорной

плате и работает на половине частоты ядра процессора; процессор 64-

разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная;

общая разрядность: 64; разъём Slot 1.

1998г. Intel® Pentium® II (Deschutes)

Процессор из линейки Pentium II, сменивший Klamath. Отличается от него

более тонким технологическим процессом (0,25 мкм) и более высокими

тактовыми частотами. Конструктив – картридж SECC, который в старших моделях

был сменен на SECC2 (КЭШ с одной стороны от ядра, а не с двух, как в

стандартном Deschutes; измененное крепление кулера). Кодовое имя:

Deschutes. Технические характеристики: 7,5 млн. транзисторов; технология

производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 266-450 МГц; КЭШ первого уровня:

32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня (512 Кб)

размещён на процессорной плате и работает на половине частоты ядра

процессора; процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66-100 МГц);

адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 1.

1998г. Intel® Pentium® II OverDrive

Вариант Pentium® II, предназначенный для апгрейда Pentium® Pro, т. е. для

установки на материнские платы Socket 8. Кодовое имя: P6T. Технические

характеристики: 7,5 млн. транзисторов; технология производства: 0,25 мкм;

тактовая частота: 333 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16

Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 512 Кб; процессор 64-разрядный; шина

данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая

разрядность: 64; разъём Soket 8.

1998г. Intel® Pentium® II (Tonga)

Вариант Pentium® II для ноутбуков. Построен на 0,25 мкм ядре Deschutes.

Кодовое имя: Tonga. Технические характеристики: 7,5 млн. транзисторов;

технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 233-300 МГц; КЭШ

первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго

уровня 512 Кб (работает на половине частоты ядра); процессор 64-разрядный;

шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая

разрядность: 64; разъём мини-картридж, MMC-1 или MMC-2.

1998г. Intel® Celeron® (Covington)

Первый вариант процессора из линейки Celeron®, построенный на ядре

Deschutes. Для уменьшения себестоимости процессоры выпускались без КЭШ-

памяти второго уровня и защитного картриджа. Конструктив – SEPP (Single

Edge Pin Package). Отсутствие КЭШ-памяти второго уровня обуславливало их

сравнительно низкую производительность, но и высокую способность к разгону.

Кодовое имя: Covington. Технические характеристики: 7,5 млн. транзисторов;

технология производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 266-300 МГц; КЭШ

первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго

уровня отсутствует; процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66

МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 1.

1998г. Intel® Pentium® II Xeon

Pentium® II Xeon - серверный вариант процессора Pentium® II, котрорый

производился на ядре Deschutes и отличался от Pentium® II более быстрой

(полноскоростной) и более емкой (есть варианты с 1 или 2 Мб) КЭШ-памятью

второго уровня и конструктивом - он выпускался в конструктиве Slot 2 - это

тоже краевой разъем, но с 330 контактами, регулятором напряжения VRM,

запоминающим устройством EEPROM. Выполнялся в SECC корпусе. Кодовое имя:

Deschutes. Технические характеристики: 7,5 млн. транзисторов; технология

производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 400-450 МГц; КЭШ первого уровня:

32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); полноскоростной КЭШ второго

уровня (512 Кб-2 Мб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (100

МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 2.

1998г. Intel® Celeron® (Mendocino)

Дальнейшее развитие линейки Celeron®. Имеет КЭШ-память L2 объемом 128 Кб,

интегрированную в кристалл процессора и работающую на частоте ядра,

благодаря чему обеспечивается высокая производительность. Кодовое имя:

Mendocino. Технические характеристики: 19 млн. транзисторов; технология

производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 300-433 МГц; КЭШ первого уровня:

32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); полноскоростной КЭШ второго

уровня (128 Кб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц);

адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 1.

1999г. Intel® Celeron® (Mendocino)

Отличается от предыдущего тем, что форм-фактор Slot 1 сменился на более

дешёвый Socket 370 и увеличилась тактовая частота. Кодовое имя: Mendocino.

Технические характеристики: 19 млн. транзисторов; технология производства:

0,25 мкм; тактовая частота: 300-533 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб

на данные и 16 Кб на инструкции); полноскоростной КЭШ второго уровня (128

Кб); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (66 МГц); адресная

шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Socket 370.

1999г. Intel® Pentium® II PE (Dixon)

Последний Pentium® II предназначен для применения в портативных

компьютерах. Кодовое имя: Dixon. Технические характеристики: 27,4 млн.

транзисторов; технология производства: 0,25-0.18 мкм; тактовая частота: 266-

500 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции);

КЭШ второго уровня 256 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина

данных 64-разрядная (66 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая

разрядность: 64; разъём BGA, мини-картридж, MMC-1 или MMC-2.

1999г. Intel® Pentium® !!! (Katmai)

На смену процессору Pentium® II (Deschutes) пришёл Pentium® !!! на новом

ядре Katmai. Добавлен блок SSE (Streaming SIMD Extensions), расширен набор

команд MMX и усовершенствован механизм потокового доступа к памяти. Кодовое

имя: Katmai. Технические характеристики: 9.5 млн. транзисторов; технология

производства: 0,25 мкм; тактовая частота: 450-600 МГц; КЭШ первого уровня:

32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 512 Кб

(полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (100-

133 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 1.

1999г. Intel® Pentium® !!! Xeon™ (Tanner)

Hi-End версия процессора Pentium® !!!. Кодовое имя: Tanner. Технические

характеристики: 9.5 млн. транзисторов; технология производства: 0.25-0.18

мкм; тактовая частота: 500-900 МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на

данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго уровня 512 Кб - 2 Мб

(полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (100

МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64; разъём Slot 2.

1999г. Intel® Pentium® !!! (Coppermine)

Этот Pentium® !!! изготавливался по 0.18 мкм технологии имеет тактовую

частоту до 1000 МГц. Была попытка выпустить процессор на этом ядре с

частотой 1113 Мгц, но уже после выпуска в продажу выяснилось, что он в

предельных режимах работает очень нестабильно, и все процессоры с этой

частотой были отозваны - этот инцидент сильно подмочил репутацию Intel®.

Кодовое имя: Coppermine. Технические характеристики: 28.1 млн.

транзисторов; технология производства: 0,18 мкм; тактовая частота: 533-1000

МГц; КЭШ первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ

второго уровня 256 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина

данных 64-разрядная (100-133 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая

разрядность: 64; разъём Slot 1, FC-PGA 370.

1999г. Intel® Celeron® (Coppermine)

Celeron® на ядре Coppermine поддерживает набор инструкций SSE. Начиная с

частоты 800 МГЦ этот процессор работает на 100 МГц системой шине. Кодовое

имя: Coppermine. Технические характеристики: 28.1 млн. транзисторов;

технология производства: 0,18 мкм; тактовая частота: 566-1100 МГц; КЭШ

первого уровня: 32 Кб (16 Кб на данные и 16 Кб на инструкции); КЭШ второго

уровня 128 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-

разрядная (66-100 МГц); адресная шина 64-разрядная; общая разрядность: 64;

разъём Socket 370.

2000г. Intel® Pentium® 4 (Willamette, Socket 423)

Принципиально новый процессор с гиперконвейеризацией (hyperpipelining) - с

конвейером, состоящим из 20 ступеней. Согласно заявлениям Intel®,

процессоры, основанные на данной технологии, позволяют добиться увеличения

частоты примерно на 40 процентов относительно семейства P6 при одинаковом

технологическом процессе. Применена 400 МГц системная шина (Quad-pumped),

Страницы: 1, 2