Родоначальником доступных для широкого круга пользователей CPU стал Intel 8080 — полноценный одночиповый 8-битный микропроцессор, изготовленный в 1974 г. сегодня всем известной одноименной компанией.
Пятью годами позже настоящий взрыв на рынке спровоцировал их же Intel 8088, выпущенный в 1979 г. и впоследствии встроенный в IBM PC, первые экземпляры которых стали появляться в 1982 г.
В дальнейшем развитие шло от 8088 к, вероятно многим знакомым, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4 и далее. Все они изготовлены Intel и стали улучшенными последователями модели 8088. Насколько?! Pentium 4 способен выполнять любой участок кода, обрабатываемый оригинальным 8088, но примерно в 5 000 раз быстрей…
На сегодня промышленникам удается штамповать микропроцессоры как размером в дюйм, содержащие десятки миллионов транзисторов, так и более простые, которые могут состоять из нескольких сотен транзисторов и иметь габариты всего пару миллиметров.
Помимо сходства физических форм процессоров, перед всеми ними стоят схожие задачи – выполнение совокупностей команд, называемых программами.
Последние представлены последовательностями чисел, хранимых в памяти компьютера. Существует четыре вида операций, которые осуществляются практически всеми процессорами в их работе: 1) выбор команды, 2) ее декодирование, 3) выполнение и 4) запись результата.
1. Первая из них предполагает поиск в памяти команды, расположение которой определяется по номеру. Все номера отражаются в программном счетчике. После того как выборка произошла, программный счетчик увеличивается на единицу, в результате чего по завершении выборки одной процессор обратится к следующей по счету операции. Найденная в памяти операция определяет, что процессору делать.
Иногда команды извлекаются из относительно медленной памяти, что приводит к торможению процессора. В современных CPU эта проблема решена при помощи кеша и конвейерной архитектуры. Первый – это промежуточный буфер с быстрым доступом, в котором хранится копия информации, содержащейся в памяти с менее быстрым доступом. Туда помещаются данные, которые, наиболее вероятно, будут востребованы.
Что собой представляет конвейерная архитектура. Для выполнения каждой команды необходимо осуществить ряд однотипных операций, а каждую из них можно представить в виде одной ступени конвейера. После освобождения какой-то из них она сразу приступает к работе над следующей командой, не ожидая завершения остальных операций над предыдущей.
2. На этапе декодирования команда разбивается на части. Одна группа цифр (opcode — operationcode — код операции) показывает, какую операцию производить. Оставшиеся части последовательности цифр содержат информацию, необходимую для ее осуществления (т.е. как производить).
3. После выборки и декодирования следует выполнение. При этом разные участки процессора связываются для выполнения желаемой операции. И если, например, возникает необходимость в проведении дополнительной операции, к работе будет подключено арифметико-логическое устройство (АЛУ) — та часть микропроцессора, в которой непосредственно выполняются арифметические и логические операции над числами.
4. Окончательный этап – запись – заключается просто во внесении результатов выполнения команды в какой-либо тип памяти. Часто они записываются в кеш процессора для быстрого доступа к ним последующих команд. В других случаях результаты могут быть сохранены в более медленную, но объемную энергонезависимую память.
Таким образом в 4 этапа выполняется микропроцессором алгоритм, заложенный в наборе операций – программе.
Даже самые простые и маломощные процессоры способны выполнять довольно внушительное количество команд. Все они представлены в виде комбинаций битов. Но так как людям не очень удается запоминать наборы цифр, такие последовательности цифр приводятся в виде понятных коротких словосочетаний, которые объединяются в язык ассемблера. А ассемблер, в свою очередь, — это программа легко транслирующая такие фразы в двоичный машинный код – и уже он помещается в память микропроцессора для выполнения операции.
Рассмотрим наиболее важные из технических характеристик CPU.
1) Количество транзисторов.
Именно эти элементы чипа позволяют ему работать с двоичной системой исчисления (0 и 1). На транзистор подается управляющий сигнал высокого или низкого уровня (каждый соответствует как раз одной из цифр), а на выходе появляется усиленный высокий или низкий уровень сигнала. Комбинирование транзисторов в элементы позволяет управлять прохождением этого сигнала, за счет чего на выходе и формируется желаемый результат, интерпретируемый в той же двоичной системе.
Согласно закону Мура на чипе число транзисторов увеличивается примерно в два раза каждые 24 месяца за счет уменьшения их размеров.
2) Размер самого тонкого провода на чипе.
Чем меньше этот показатель, тем большее число транзисторов умещается на чипе. В настоящее время планируется выпуск схем по 0,032 мкм (32 нм) техпроцессу. Для сравнения, человеческий волос имеет диаметр 100 мкм.
3) Тактовая частота.
Скорость перехода от одного этапа рассмотренного выше 4-ступенчатого цикла к другому определяется тактовым генератором, вырабатывающим импульсы, которые служат ритмом для процессора. Частота этих импульсов и называется тактовой.
4) Ширина данных – это количество информации, которое способен передать процессор по выводному устройству (шине) за один такт. Во многих случаях внешняя шина данных совпадает по ширине с АЛУ, но это не всегда так. В упомянутом выше Intel 8088 АЛУ было 16-битным, а шина – 8. В современных Pentium шины 64-битные, а АЛУ – 32-битные. 8-битное АЛУ способно складывать, умножать, вычитать (и т.д.) восьмизначные числа, 32-битное – 32-значные числа. Восьмибитное АЛУ выполняет четыре команды, чтобы сложить 32-значные числа, в то время как 32-битное – только одну.
5) Количество операций в секунду – относительная мера производительности процессора. Современные CPU способны выполнять так много различных задач, что данная характеристика теряет свою значимость, но способна дать относительное понятие о мощности микропроцессора.
Между частотой микропроцессора и количеством операций в секунду существует прямопропорциональная зависимость. Отмечается также прямая связь между числом транзисторов и количеством операций в секунду. Например, в 8088 частота составляла 5 МГц и выполнял он 0,33 млн. операций в секунду (примерно одна операция за 15 тактовых импульсов). Современные же процессоры часто выполняют 2 операции за один такт.
Данное улучшение, как и масса других, напрямую связано с увеличением числа транзисторов на интегральной схеме – показателем, который и на сегодняшний день преимущественно определяет прогресс чипов, увеличение их мощности, производительности и пользы для потребителей.
Трудиться, трудиться, еще, еще и еще — все, что они умеют. Заключенный в них потенциал, во многом предопределит наше развитие и, будем надеяться, общими стараниями будущее станет желаемо светлым и ожидаемо интересным.
