» История микропроцессоров до появления ПК

История микропроцессоров до появления ПК

Мозгом” персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процессор — CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых в компьютерах, имеющих сопроцессор). Он является сегодня самым дорогостоящим компонентом ком­пьютера (правда, стоимость отдельных современных графических адаптеров бывает и выше). В компьютерах верхнего ценового сектора рынка его стоимость иногда превосходит стоимость материнской платы в четыре раза. Создание микропроцессора обычно приписывают компании Intel, которая в 1971 году представила миру микросхему с номером 4004. И по сей день Intel продолжает контролировать рынок процессоров, хотя в последние годы ее несколько потеснила компания AMD. Это значит, что все PC-совместимые компьютеры используют либо процессор Intel, либо совместимый с ним, произведенный одним из конкурентов (в частности, AMD и VIA/Cyrix).

В настоящее время Intel доминирует на рынке процессоров, но так было далеко не всегда. Компания Intel прочно ассоциируется с изобретением первого процессора и его появлением на рынке. Но несмотря на это два наиболее известных в конце 1970-х годов процессора, используемых в ПК, не принадлежали Intel (один из них, правда, являлся прямым аналогом процессора Intel). В персональных компьютерах того времени чаще всего использовались процессоры Z-80 компании Zilog и 6502 компании MOS Technologies. Процессор Z-80 представлял собой улучшенный и более дешевый аналог процессора 8080. Сегодня в подобной ситуации оказались многочисленные клоны процессоров Intel Pentium, созданные компаниями AMD, Cyrix (теперь VIA), IDT и Rise Technologies. Более того, в некоторых случаях аналог приобретал большую популярность, чем оригинал. Компания AMD в последние годы заняла значительную часть рынка, но несмотря на это Intel все еще играет главенствующую роль на рынке процессоров ПК.

Когда-то давно у меня был компьютер, содержавший оба упомянутых процессора. Он состоял из основной системы Apple, созданной на базе процессора 6502 с тактовой частотой 1 МГц (да-да, именно 1 МГц), и системной платы Microsoft Softcard (платы Z-80), подключенной к одному из разъемов. Системная плата Softcard содержала, в свою очередь, процессор Z-80 с тактовой частотой 2 МГц. Такая конструкция позволяла использовать программное обеспечение для процессоров обоих типов в одной системе. Процессор Z-80 использовался в конце 1970-х — начале 1980-х годов и работал с операционной системой CP/M. Процессор 6502, в свою очередь, использовался в ранних версиях компьютеров Apple, еще до появления платформы Mac.

Звездный час компаний Intel и Microsoft наступил в 1981 году, когда IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC с процессором Intel 8088 (4,77 МГц) и операционной системой Microsoft Disk Operating System (DOS) версии 1.0. С этого момента практически во все компьютеры устанавливаются процессоры Intel и совместимые с ними, при этом каждая новая модель поддерживает программное обеспечение, работавшее со старым процессором — от 8088 до современных Core 2 и Athlon 64 X2. Из следующих разделов вы узнаете о процессорах, используемых в компьютерах PC с момента выпуска первого процессора, о технических параметрах этих микросхем и о том, почему за одно и то же время одни процессоры выполняют гораздо больше операций, чем другие.


Интересен тот факт, что первый процессор был выпущен на 10 лет раньше первого компьютера IBM PC. Компания Intel создала свой первый процессор в 1971 году, а компания IBM свой первый ПК — в 1981 году. Но даже теперь, спустя более четверти века, мы продолжаем использовать системы, в той или иной мере сходные по архитектуре с первым ПК. Про­цессоры, установленные в наших компьютерах сегодня, большей частью имеют обратную совместимость с процессором 8088, который компания IBM выбрала для своего первого персонального компьютера в 1981 году.

15 ноября 2001 года микропроцессор отпраздновал свое 30-летие. За эти годы его быстродействие увеличилось более чем в 18500 раз (с 0,108 МГц до 2 ГГц). История создания первого микропроцессора Intel 4004 описана в главе 1. Процессор 4004 был представлен 15 ноября 1971 года; он работал на частоте 108 кГц (108000 тактов в секунду, или всего 0,1 МГц). Процессор 4004 содержал 2300 транзисторов и производился с использованием 10-микронной технологии. Это означает, что все линии, дорожки и транзисторы располагались от других элементов на расстоянии около 10 микрон (миллионная часть метра). Данные передавались блоками по 4 бит за такт, а максимальный адресуемый объем памяти составлял 640 байт. Процессор 4004 предназначался для использования в калькуляторах, однако в конечном итоге нашел и другие применения в связи с широкими возможностями программирования. Например, процессор 4004 использовался для управления светофорами, при анализе крови и даже в исследовательской ракете Pioneer 10, запущенной NASA!

В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3500 транзисторов и производился все по той же 10-микронной технологии. Шина данных была 8-разрядной, что позволяло адресовать 16 Кбайт памяти. Этот процессор предназначался для использования в терминалах и программируемых калькуляторах.

Следующая модель процессора, 8080, была анонсирована в апреле 1974 года. Этот процессор содержал 6000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нем был собран первый персональный компьютер (не PC) Altair 8800. В этом компьютере использовалась операционная система CP/M, а Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ.

Со временем процессор 8080 стал настолько известен, что его начали копировать. В конце 1975 года несколько бывших инженеров Intel, занимавшихся разработкой процессора 8080, создали компанию Zilog. В июле 1976 года эта компания выпустила процессор Z-80, который представлял собой значительно улучшенную версию 8080. Этот процессор был несовместим с 8080 по контактным выводам, но сочетал в себе множество различных функций, например интерфейс памяти и схему обновления ОЗУ (RAM), что давало возможность разрабатывать более дешевые и простые компьютеры. В Z-80 был также включен расширенный набор команд процессора 8080, позволяющий использовать его программное обеспечение. В этот процессор вошли новые команды и внутренние регистры, поэтому программное обеспечение, разработанное для Z-80, могло использоваться практически со всеми версиями 8080. Первоначально процессор Z-80 работал на частоте 2,5 МГц (более поздние версии работали уже на частоте 10 МГц), содержал 8500 транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти.

Компания Radio Shack выбрала процессор Z-80 для своего первого персонального компьютера TRS-80 Model 1. Следует заметить, что Z-80 стал первым процессором, используемым во многих новаторских системах, в том числе в Osborne и Kaypro. Этому примеру последовали другие компании, и вскоре Z-80 стал стандартным процессором для систем, работающих с операционной системой CP/M и наиболее распространенным программным обеспечением того времени.

Компания Intel не остановилась на достигнутом, и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3-микронной технологии. Несмотря на то что он обогнал процессор Z-80 на несколько месяцев, ему так и не удалось достичь популярности последнего. Он использовался в основном в качестве управляющей микросхемы различных компьютеризованных устройств.

В этом же году компания MOS Technologies выпустила процессор 6502, который был абсолютно не похож на процессоры Intel. Он был разработан группой инженеров компании Motorola. Эта же группа работала над созданием процессора 6800, который в будущем трансформировался в семейство процессоров 68000. Цена первой версии процессора 8080 достигала 300 долларов, в то время как 8-разрядный процессор 6502 стоил всего около 25 долларов. Такая цена была вполне приемлема для Стива Возняка (Steve Wozniak), и он встроил процессор


6502 в новые модели Apple I и Apple II. Процессор 6502 использовался также в системах, созданных компанией Commodore и другими производителями. Этот процессор и его преемники с успехом работали в игровых компьютерных системах, в число которых вошла приставка Nintendo Entertainment System (NES). Компания Motorola продолжила работу над созданием серии процессоров 68000, которые впоследствии были использованы в компьютерах Apple Macintosh. Второе поколение компьютеров Mac использовало процессор PowerPC, являющийся преемником 68000. Сегодня компьютеры Mac снова перешли на архитектуру PC и используют с ними одни процессоры, микросхемы системной логики и прочие компоненты.

В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86. Этот же набор команд до сих пор поддерживается в самых современных процессорах Core 2 и AMD Athlon 64 X2. Процессор 8086 был полностью 16-разрядным — внутренние регистры и шина данных. Он содержал 29000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20-разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти. При создании процессора 8086 обратная совместимость с 8080 не предусматривалась. Но в то же время значительное сходство их команд и языка позволили использовать более ранние версии программного обеспечения. Это свойство впоследствии сыграло важную роль для быстрого перевода программ системы CP/M (8080) на рельсы PC.

Несмотря на высокую эффективность процессора 8086 его цена была все же слишком высока по меркам того времени и, что гораздо важнее, для его работы требовалась дорогая микросхема поддержки 16-разрядной шины данных. Чтобы уменьшить себестоимость процессора, в 1979 году Intel выпустила процессор 8088 — упрощенную версию 8086. Процессор 8088 использовал те же внутреннее ядро и 16-разрядные регистры, что и 8086, мог адресовать 1 Мбайт памяти, но в отличие от предыдущей версии использовал внешнюю 8-разрядную шину данных. Это позволило обеспечить обратную совместимость с ранее разработанным 8-разрядным процессором 8085 и тем самым значительно снизить стоимость создаваемых системных плат и компьютеров. Именно поэтому IBM выбрала для своего первого ПК урезанный” процессор 8088, а не 8086.

Это решение имело далеко идущие последствия для всей компьютерной индустрии. Процессор 8088 был полностью программно-совместимым с 8086, что позволяло использовать 16-разрядное программное обеспечение. В процессорах 8085 и 8080 использовался очень похожий набор команд, поэтому программы, написанные для процессоров предыдущих версий, можно было легко преобразовать для процессора 8088. Это, в свою очередь, позволяло разрабатывать разнообразные программы для IBM РС, что явилось залогом его будущего успеха. Не желая останавливаться на полпути, Intel была вынуждена обеспечить поддержку обратной совместимости 8088/8086 с большинством процессоров, выпущенных в то время.

В те годы еще поддерживалась обратная совместимость процессоров, что ничуть не мешало вводить различные новшества и дополнительные возможности. Одним из основных изменений стал переход от 16-разрядной внутренней архитектуры процессора 286 и более ранних версий к 32-разрядной внутренней архитектуре 386-го и последующих процессоров, относящихся к категории IA-32 (32-разрядная архитектура Intel). Эта архитектура была представлена в 1985 году, однако потребовалось еще 10 лет, чтобы на рынке появились такие операционные системы, как Windows 95 (частично 32-разрядные) и Windows NT (требующие использования исключительно 32-разрядных драйверов). И только еще через шесть лет появилась операционная система Windows XP, которая была 32-разрядной как на уровне драйверов, так и на уровне всех компонентов. Итак, на адаптацию 32-разрядных вычислений потребовалось 16 лет. Для компьютерной индустрии это довольно длительный срок.

Теперь наблюдается очередной скачок” в развитии архитектуры ПК — компании Intel и AMD представили 64-разрядные расширения 32-разрядной архитектуры Intel IA-64 (Intel Architecture, 64-bit — 64-разрядная архитектура Intel), выпустив процессоры Itanium и Itanium 2. Однако данная архитектура была абсолютно несовместима с существовавшей 32-разрядной. Архитектура IA-64 была анонсирована в 1994 году в рамках проекта по разработке компаниями Intel и HP нового процессора с кодовым именем Merced; первые технические детали были опубликованы в октябре 1997 года. В результате в 2001 году был выпущен процессор Itanium, поддерживающий архитектуру IA-64.

К сожалению, IA-64 не являлась расширением архитектуры IA-32, а была совершенно новой архитектурой. Это хорошо для рынка серверов (собственно, для этого IA-64 и разрабатывалась), однако совершенно неприемлемо для мира ПК, который всегда требовал обратной совместимости. Хотя архитектура IA-64 и поддерживает эмуляцию IA-32, при этом обеспечивается очень низкая производительность.

Компания AMD пошла по другому пути и разработала 64-разрядные расширения для архитектуры IA-32. В результате появилась архитектура AMD64 (которая также называется x86-64). Через некоторое время Intel представила собственный набор 64-разрядных расширений, который назвала EM64T (IA-32e). Расширения Intel практически идентичны расширениям AMD, что означает их совместимость на программном уровне. В результате впервые в истории сложилась ситуация, когда Intel следовала за AMD в разработке архитектуры ПК, а не наоборот.

Для того чтобы 64-разрядные вычисления стали реальностью, необходимы 64-разрядные операционные системы и драйверы. В апреле 2005 года компания Microsoft начала распространять пробную версию Windows XP Professional x64 Edition, поддерживающую дополнительные инструкции AMD64 и EM64T. Основные производители компьютеров уже поставляют готовые системы с предустановленной Windows XP Professional x64 и с 64-разрядной системой Windows Vista; они также разработали 64-разрядные драйверы для достаточно современных моделей устройств. Выпускаются и 64-разрядные версии Linux, благодаря чему каких-либо серьезных препятствий для перехода к 64-разрядным вычислениям нет.

Последним достижением можно считать выпуск компаниями Intel и AMD двух- и четырёхядерных процессоров. Они содержат два или четыре полноценных ядра на одной подложке; в результате один процессор теоретически может выполнять работу двух или четырех процессоров. Хотя многоядерные процессоры не обеспечивают значительного увеличения быстродействия в играх (которые в основном предполагают выполнение данных в один поток), они просто незаменимы в многозадачной среде. Если вы когда-нибудь пытались одновременно выполнять проверку компьютера на наличие вирусов, работать с электронной почтой, а также запускать какие-то другие приложения, то наверняка знаете, что такая нагрузка может поставить на колени” даже самый быстрый одноядерный процессор. Поскольку двухъядерные процессоры сейчас выпускаются обеими компаниями, Intel и AMD, шансы на то, что вам удастся выполнить работу гораздо быстрее благодаря многозадачности, значительно возрастают. Современные двухъядерные процессоры также поддерживают 64-разрядные расширения AMD64 или EM64T, что позволяет воспользоваться преимуществами как двухядерности, так и 64-разрядных вычислений.

Персональные компьютеры прошли долгий путь развития. Первый используемый в ПК процессор 8088 содержал 29 тыс. транзисторов и работал с частотой 4,77 МГц. Процессор AMD Athlon 64 FX содержит больше 105 млн. транзисторов, процессор Pentium 4 670 (ядро Prescott) работает с частотой 3,8 ГГц и содержит 169 млн. транзисторов, преимущественно благодаря наличию кэш-памяти второго уровня L2 объемом 2 Мбайт. Двухъядерные процессоры, содержащие два ядра и кэш-память на одной подложке, характеризуются еще большим количеством транзисторов. Процессор Intel Pentium D содержит 230 млн. транзисторов, а AMD Athlon 64 X2 — более 233 млн. Последние процессоры Core 2 Duo и Core 2 Quad содержат 291 и 582 млн. транзисторов соответственно; при этом в последний интегрирована кэшпамять второго уровня объемом 8 Мбайт. Многоядерная архитектура и постоянно растущий объем кэш-памяти второго уровня приводят к постоянному росту количества транзисторов. Скоро эта отметка перевалит за один миллиард. Все это является практическим подтверждением закона Мура, в соответствии с которым быстродействие процессоров и количество содержащихся в них транзисторов удваивается каждые 1,5–2 года.

Реклама

Реклама