Основные этапы развития архитектуры универсальных МП

►Первый МП I-4004 был разработан фирмой Intel в 1971 г. Он имел 4 -х разрядную структуру и был ориентирован на использование в калькуляторах. Впоследствии был выпущен еще один 4-х разрядный МП - I-4040.

►В 1972 г. появился 8 -разрядный МП I-8008, а 1974 г. - I-8080.

Этот МП сыграл значительную роль в развитии техники и заложил основы архитектуры для всех последующих поколений МП.

Он имел раздельные 8 -разрядную шину данных и 16 -ти разрядную шину адреса, возможность подключения памяти до 64 Кбайт и до 256 внешних устройств. Он содержал 16 -ти разрядные указатель команд IP (Instruction Pointer) и указатель стека SP (Stack Pointer), шесть 8 -ми разрядных регистров общего назначения (РОН), которые могли использоваться как три 16-разрядные. Система команд состояла из 78 базовых команд.

При загрузке операнда из памяти применяется прямая, косвенная регистровая или стековая адресация.

►Очередным крупным шагом в развитии МП техники стало появление в 1978 г. 16 -ти разрядных универсальных МП I-8086. Эти МП заложили основы архитектуры x86 и использовались при производстве первых ПК.

Основными отличительными чертами в архитектуре этого МП стали:

· увеличение разрядности регистров общего назначения до 16 бит;

· увеличение количества регистров общего назначения до 8;

· увеличение количества режимов адресации операндов;

· расширение количества флагов в регистре признаков;

· появление сегментного механизма обращения к памяти, который обеспечил возможность обращения к памяти емкостью до 1 Мбайт.

►Появившийся в 1982 г. МП i286 явился переходной ступенью к 32-разрядным универсальным МП. В нем было реализовано два режима работы - защищенный и реальный.

● В реальном режиме работы МП полностью совместим с выпускавшимися ранее 16-разрядными МП с архитектурой x86. В формировании адреса участвовали только 20 линий, поэтому максимальная емкость адресуемой памяти в этом режиме прежняя - 1 Мбайт.

● В защищенном режиме процессор мог адресовать до 1 Гбайт виртуальной памяти. Шина адреса увеличена до 24 бит, поэтому емкость адресуемой памяти составляла 16 Мбайт.

Для выполнения операций над числами с плавающей точкой была разработана отдельная БИС - математический сопроцессор 80287.

►В 1985 г. был выпущен 32 -разрядный универсальный МП i386 - первый полноценный представитель архитектуры IA-32 (Intel Architecture-32). Развитие продолжалось вплоть до МП Pentium 4.

Главным внешним отличием является увеличение разрядности шины данных и шины адреса до 32 бит. Это связано с изменениями в разрядности внутренних элементов микропроцессора.

Большие качественные изменения произошли на уровне работы МП в защищенном режиме, который был существенно развит.

Отметим основные черты этого режима.

1. Принципиально меняется механизм формирования физического адреса.

2. Организуется аппаратная поддержка мультипрограммного режима работы.

3. Для обеспечения защиты информации и упрощения организации мультипрограммного режима работы МП снабжается специальными механизмами.

===============================================

За время, прошедшее после появления первого 32-разрядного МП, только фирмой Intel было выпущено несколько десятков модификаций таких МП.

Основные этапы развития этой архитектуры, которые носят принципиальный характер, представлены в табл. 1.

Таблица 1. Этапы развития архитектуры IA-32
Модель	Год начала выпу-ска	Число транзисто-ров на кристалле	Максимальная тактовая частота, МГц	Схема обработки данных	Наличие кэш-памяти на кристале	Регистры	Количество команд в системе команд	Количество конвейеров/ ступеней конвейера
i386		275 тыс.		SISD, ФТ	нет	32 разрядные с ФТ		-
i486		1,2 млн.		SISD, ФТ, ПТ(FPU)	да	--- // --- +80-разрядные с ПТ	--- // ---	-
Pentium		3,1 млн.		--- // ---	--- // ---	--- // ---	--- // ---	2/5
Pentium MMX		4,5 млн.		--- // --- +SIMD, ФПБ	--- // ---	--- // ---	+ 57	4/14
Pentium III		9,5 млн. (28,1 млн.)		--- // --- +SIMD, П3	--- // --- +кэш L2	--- // --- +128-разрядные SSE	+70	5/11
Pentium 4		42 млн.		--- // ---	--- // ---	--- // ---	+144	9/31

Далее вкратце остановимся на их рассмотрении.

Пояснения к таблице

► Основные нововведения МП i486 (1989 г.) связаны с технологическими возможностями.

Это размещение непосредственно на кристалле БИС двух важных блоков, которые раньше выполнялись в виде отдельных микросхем: ◙ кэш-памяти и ◙ блока процессора обработки чисел с плавающей точкой (floating point unit - FPU):

- Кэш-память имела объем 8 Кбайт и предназначалась для хранения программ и данных.

- FPU имел внутренний файл из восьми 80-разрядных регистров, свой регистр состояния и управления.

► Главной отличительной чертой нового 32-разрядного МП - Pentium - явилась возможность конвейерной обработки информации благодаря двум 5-ступенчатым конвейерам, позволявшим одновременно исполнять несколько инструкций. Обмен информацией с памятью через кэш данных осуществлялся независимо от процессорного ядра, а буфер инструкций был связан с ним через высокоскоростную 256-разрядную внутреннюю шину. Для связи с остальными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина данных. Появление конвейера потребовало необходимость введения схемы предсказания переходов.

Все последующие модификации МП связаны с улучшением ее работы.

► Нововведением МП Pentium MMX (1997 г.) стал блок обработки целочисленной информации - SIMD ( Single Instruction - Multiple Data: одна команда - множество данных). Его введение позволило обрабатывать одновременно несколько операндов с использованием одной команды, что существенно подняло производительность МП на задачах, где над большими массивами однородной информации выполнялись одинаковые операции, например, в мультимедийных приложениях. В систему команд ввели 57 новых инструкций, но регистровая структура МПне изменилась.

► МП Pentium III (1999 г.) позволил обрабатывать по схеме SIMD не только целочисленные операнды, но и числа с плавающей точкой. Для этого система команд была расширена на 70 инструкций, а в структуре МП появился специальный блок SSE, содержащий в отдельный регистровый файл из восьми 128-разрядных регистров. Новинкой было размещение на кристалле кэш-памяти второго уровня, работающей на частоте ядра.

► МП Pentium 4 завершает линейку 32-разрядных МП. Основным вкладом этого МП стало еще большее увеличение глубины конвейера - до 31 стадии, что позволило сильно нарастить частоту процессора. Количество конвейеров возросло до 9. Добавили еще 144 команды SSE2, затем и SSE3, ориентированные в первую очередь на работу с потоковыми данными.

► В 2001 г. фирмой Intel был выпущен микропроцессор Itanium, положивший начало новой 64 -разрядной архитектуре - IA-64, которая сменила архитектуру 32-разрядных МП IA-32, господствовавшую на протяжении более 15 лет.

Рис. Отличия архитектуры IA-64 от x86

В настоящее время разными фирмами выпускается много десятков различных МП, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирм Intel, AMD и им подобные.

Современные микропроцессоры можно разделить на группы:

Ø МП типа CISC (Complex Instruction Set Command) - с полным набором системы команд.

Ø МП типа RISC (Redused Instruction Set Command) - с усеченным набором команд.

Ø МП типа VLIW (Very Length Instruction Word) - со сверхбольшим командным словом.