Mikroprocesor
Z Wikipedii
Mikroprocesor - układ cyfrowy wykonany jako pojedynczy układ scalony o wielkim stopniu integracji zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według dostarczonego ciągu instrukcji.
Mikroprocesor (w skrócie μP) łączy funkcje centralnej jednostki obliczeniowej (CPU) w pojedynczym półprzewodnikowym układzie scalonym. Pierwszy mikroprocesor działał w oparciu o słowa 4-bitowe, dzięki czemu tranzystory tworzące jego obwody logiczne mogły zmieścić się w jednym układzie.
Mikroprocesor umożliwił rozwój mikrokomputerów w połowie lat 70. dwudziestego wieku. Przed tym okresem, elektroniczne CPU były konstruowane z zajmujących wiele miejsca indywidualnych urządzeń przełączających, z których każde było odpowiednikiem zaledwie kilku tranzystorów. Poprzez zintegrowanie procesora w jeden lub kilka obwodów scalonych o coraz wyższej skali integracji (zawierających odpowiednik tysięcy lub milionów tranzystorów), stosunek możliwości do ceny procesora znacząco wzrósł. Od połowy lat siedemdziesiątych, dzięki intensywnemu rozwojowi układów scalonych, mikroprocesor stał się najbardziej rozpowszechnioną formą CPU, prawie całkowicie zastępując wszystkie inne.
Ewolucję mikroprocesora dobrze opisuje prawo Moore’a mówiące o wzroście wydajności na przestrzeni lat. Mówi ono, że złożoność układów scalonych (liczba tranzystorów), przy zachowaniu minimalnego kosztu składników, będzie się podwajać co 18 miesięcy. Stwierdzenie to zachowuje prawdziwość od czasu wczesnych lat 70. Począwszy od układów porównywalnych z prostymi kalkulatorami, mikroprocesory osiągały coraz wyższą moc obliczeniową, co w rezultacie doprowadziło do ich dominacji nad każdą inną formą komputera.
Spis treści |
[edytuj] Historia mikroprocesora
Jednym z twórców idei mikroprocesora był Marcian „Ted” Hoff z firmy Intel. Wpadł on na pomysł by zamiast projektować 12 niezależnych układów scalonych do kalkulatorów zaprojektować jeden, który będzie w stanie pełnić funkcje wszystkich tych elementów razem wziętych i będzie pracować w taki sposób jak procesor w komputerze. W firmie Intel wyprodukowano pierwszy komercyjny mikroprocesor o nazwie 4004 - zawierał on 2300 tranzystorów i wykonany był w technologii p-MOS. Pierwszym na świecie procesorem był jednak składający się z sześciu układów MOS układ F14 CADC używany w samolocie Grumman F-14 Tomcat.
Tak jak wiele technologicznych odkryć, mikroprocesor był ideą, która musiała nadejść. Trzy konkurujące ze sobą firmy dostarczyły gotowy mikroprocesor w zbliżonym czasie: - Intel - 4004, - Texas Instruments - TMS 1000 - Garrett AiResearch’s - Central Air Data Computer. W 1968 roku Garret został zaproszony do pracy przy tworzeniu komputera dla myśliwca Grumman F-14 Tomcat, który swoimi możliwościami miał przewyższać sterujące lotem systemy elektroniczne używane w Marynarce Wojennej USA. Projekt został ukończony w 1970 roku i używał opartego na technologii MOS układu scalonego („chipset”) jako rdzenia CPU. Projekt był mniejszy i dużo bardziej niezawodny niż systemy mechaniczne z którymi konkurował i został wprowadzony we wszystkich wczesnych modelach Tomcata. Jednakże był on tak zaawansowany, że Marynarka Wojenna odmówiła publikacji jego projektu aż do roku 1997. Z tego też powodu używany chipset CADC i MP944 nie są powszechnie znane nawet obecnie.
TI zbudowało 4 bitowy mikroprocesor TMS 1000 oraz wyposażyło go w odpowiedni kod źródłowy. W ten sposób w dniu 17.09.1971 r. powstał układ TMS1802NC, który posłużył jako scalony rdzeń kalkulatora. Jego Intelowskim odpowiednikiem był 4-bitowy układ 4004, zbudowany 15.11.1971 r., według projektu Federico Fagginiego i Marciana Hoffa.
TI złożyło wniosek o przyznanie patentu na mikroprocesor 4.09.1973 r. Gary Boone dostał patent (U.S. Patent 3,757,306) dla architektury scalonego mikroprocesora. Nie wiadomo do końca, która firma jako pierwsza skonstruowała działający mikroprocesor. W roku 1971 jak i 1976 Intel i TI uzgodniły, że Intel będzie płacił TI pieniądze za prawa patentowe do mikroprocesora. Dokładny opis tych zdarzeń zawierają akta sprawy pomiędzy Cyrixem i Intelem, w których to TI występuje jako twórca i właściciel patentu na mikroprocesor. Co ciekawe, firmom trzecim został przyznany patent na coś, co w sumie może być „mikroprocesorem”.
Również patent obejmujący konstrukcję pierwszego komputera jednoukładowego (mikrokontrolera) został przyznany Gary'emu Boone i Michaelowi J. Cochranowi z firmy TI (U.S. Patent 4,074,351).
Według „Historii Komputerów” (MIT Press), strony 220-221, Intel zawarł kontrakt z Computer Terminals Corporation, zwaną później Datapoint z San Antonio (Texas), dotyczący układu do terminalu, który właśnie opracowywała ta firma. Datapoint zrezygnował z późniejszego wykorzystywania tego chipu, natomiast Intel w kwietniu 1972 r. nadał mu nazwę 8008. Był to pierwszy na świecie mikroprocesor 8 bitowy. Stał się on podstawą sławnego MARK-8, zestawu komputerowego przedstawionego w magazynie Radio-Elektronika w 1974 r. Układ scalony 8008 oraz jego następca, sławny na cały świat Intel 8080, otworzyły rynek mikroprocesorów.
[edytuj] Najważniejsze układy 8-bitowe
Procesory 8008 stały się prekursorami bardzo udanej serii Intel 8080 (1974 r.), Zilog Z80 (1976 r.) oraz pochodnych 8-bitowych procesorów Intela. Konkurująca z tym układem Motorola 6800 została wypuszczona na rynek w kwietniu 1974 roku. Architektura 6800 została rozbudowana przez firmę MOS Technology, założoną przez wcześniejszych pracowników Motoroli - powstał w ten sposób układ MOS 6501, a następnie, po konflikcie dotyczącym praw autorskich, układ MOS 6502, który ujrzał światło dzienne w 1975 roku, stając się konkurencją dla Z80 pod względem ceny (i następnie - popularności).
Zarówno komputery oparte o Z80 jak i 6502 mogły być produkowane względnie tanio dzięki prostocie magistrali oraz zintegrowaniu elementów, które w alternatywnych projektach trafiały poza CPU (np. kontrolera pamięci w Z80). Były to cechy, które pozwoliły w latach 80. na przeprowadzenie rewolucji w postaci dostarczania do domów prostych komputerów jako zestawów do samodzielnego montażu, ewentualnie dostarczanie gotowych produktów w cenie 99$.
Western Design Center, Inc. (WDC) zaprezentował w 1982 roku oparty na technologii CMOS 65C02 oraz sprzedał licencje kilku firmom, które to stały się rdzeniem komputerów osobistych Apple IIc oraz IIe, klasy wszczepialnych medycznych rozruszników serca i defibrylatorów, przemysłowych, konsumenckich i samochodowych urządzeń. WDC zapoczątkował licencjonowanie technologii mikroprocesorowych, która była potem kontynuowana przez ARM oraz innych producentów w latach 90.
Atutem Motoroli w świecie 8-bitowym był wprowadzony do produkcji w 1978 roku MC6809, dość sprzecznie uważany za najmocniejszy i najlepszy spośród kiedykolwiek wyprodukowanych procesorów 8-bitowych. Jest on także uważany za najbardziej skomplikowany układowo projekt, który kiedykolwiek wprowadzono do użycia w mikroprocesorach. W nowszych układach skomplikowana logika układowa była już sukcesywnie zastępowana przez mikroprogramowanie, pozwalające na realizację tych samych operacji w układach zawierających znacznie mniej bramek logicznych.
Kolejnym wczesnym 8-bitowym mikroprocesorem był Signetics 2650, który cieszył się sporym zainteresowaniem ze względu na swą innowacyjność oraz rozbudowaną listę rozkazów.
Najważniejszym mikroprocesorem w świecie lotów kosmicznych był RCA 1802 (zwany tez CDP1802, RCA COSMAC) przedstawiony w 1976 roku. Był on używany przez sondy Voyager oraz Viking z lat 70. oraz w sondzie Galileo (wystrzelonej na Jowisza w 1989 roku, dotarła na miejsce w 1995 r.). Mikroprocesor RAC COSMAC był pierwszą implementacją technologii C-MOS. Jego atutem był niski pobór mocy, a także zwiększona odporność na promieniowanie kosmiczne i skutki wyładowań elektrostatycznych (dwie ostatnie cechy osiągnięto dzięki zastosowaniu technologii opartej o krzem i szafir).
[edytuj] Procesory 16-bitowe
Pierwszym 16-bitowym mikroprocesorem segmentowym (składającym się z kilku układów scalonych) był wyprodukowany przez National Semiconductor IMP-16 przedstawiony na początku 1973 roku. 8-bitowa wersja tego układu została przedstawiona w 1974 roku jako IMP-8. W tym samym roku National zaprezentował także pierwszy jednoukładowy 16-bitowy mikroprocesor, PACE, zastąpiony później wersją NMOS o nazwie INS8900.
Kolejnymi wczesnymi konstrukcjami 16-bitowymi procesorów segmentowych są:
- mikroprocesor DEC (Digital Equipment Corporation) wbudowany w płytę główną komputera LSI-11 (OEM) oraz w komputerze PDP 11/03,
- procesor komputera MicorFlame 9440 firmy Fairchild Semiconductor.
Oba procesory zostały wyprodukowane w latach 1975-76 r.
Pierwszym jednoukładowym 16-bitowym mikroprocesorem był TMS 9900 (TI), który by także kompatybilny z linią minikomputerów TI-990. TMS 9900 został użyty w minikomputerze TI-990/4, komputerze domowym TI-99/4A, oraz linii OEM płyt mikrokomputerowych TM990. Układ został zamknięty w sporej ceramicznej 64-pinowej obudowie typu DIP, podczas, gdy większość ówczesnych mikroprocesorów 8-bitowych mieściła się w tańszych i bardziej rozpowszechnionych plastikowych obudowach DIP 40-pin. Następca TMS9900, TMS 9980, został zaprojektowany jako konkurencja dla Intelowskiego 8080, zawierał pełen zestaw instrukcji 16-bitowych, jednak posiadał jedynie 8-bitową szynę danych i przestrzeń adresową ograniczoną do 16KB. Trzeci układ, TMS 9995, został zaprojektowany od nowa. Rodzina rozszerzyła się później o układy 99105 oraz 99110.
Western Design Center (WDC) zaprezentowało oparty na technologii CMOS układ 65815, będący 16-bitowym ulepszeniem WDC CMOS 65C02 w roku 1984. 16-bitowy 65816 stał się sercem Apple IIgs a później także Konsoli Super Nintendo (SNES) stając się w ten sposób najbardziej popularnym układem 16-bitowym.
Intel podążył inną ścieżką, nie próbował on naśladować minikomputerów. Zamiast tego rozszerzył swój 8080 do 16-bitowego 8086, pierwszego członka rodziny x86, która opanowała rynek nowoczesnych komputerów PC. Intel wprowadził 8086 jako układ przedłużający życie programom napisanym na 8080. Z kolei układ 8088, używająca 8 bitowej szyny danych wersja procesora 8086, była pierwszym procesorem zastosowanym w wyprodukowanym przez IBM PC, modelu 5150. Następcy 8086 i 8088 to 80186, 80286 oraz wypuszczony w 1985 roku 32-bitowy 80386. Procesory te umocniły swoją dominację na rynku PC głównie dzięki kompatybilności wstecznej.
Zintegrowana jednostka do zarządzania pamięcią mikroprocesora została wynaleziona przez Intela i opatentowana jako U.S. patent 4,442,484.
[edytuj] Budowa typowego mikroprocesora
W prawie każdym mikroprocesorze możemy wyróżnić następujące bloki
- ALU - jednostka arytmetyczno-logiczna (Arithmetic Logic Unit), wykonuje ona operacje logiczne na dostarczonych jej danych, podstawowy zestaw to: dodawanie, podstawowe operacje logiczne (AND, XOR, OR, NOT), oraz przesunięcia bitowe w lewo i w prawo. W bardziej złożonych mikroprocesorach zestaw ten jest znacznie bogatszy.
- CU - układ sterowania (Control Unit), zwany też dekoderem rozkazów. Odpowiedzialny jest on za dekodowanie dostarczonych mikroprocesorowi instrukcji i odpowiednie sterowanie pozostałymi jego blokami (na przykład jeśli zdekodowaną instrukcją będzie dodawanie, CU odpowiednio ustawi sygnały sterujące, by ALU wykonała tę właśnie operację)
- Rejestry - umieszczone wewnątrz mikroprocesora komórki pamięci o niewielkich rozmiarach (najczęściej 4/8/16/32/64/128 bitów) służące do przechowywania tymczasowych wyników obliczeń (rejestry danych) oraz adresów lokacji w pamięci operacyjnej (rejestry adresowe). Proste mikroprocesory mają tylko jeden rejestr danych zwany akumulatorem. Oprócz rejestrów danych i rejestrów adresowych występuje też pewna liczba rejestrów o specjalnym przeznaczeniu:
- PC - licznik rozkazów (Program Counter) - zawiera on adres komórki pamięci zawierającej następny rozkaz do wykonania
- IR - rejestr instrukcji (Instruction Register) - zawiera on adres aktualnie wykonywanej przez procesor instrukcji.
- SP - wskaźnik stosu (Stack Pointer) - zawiera adres wierzchołka stosu
Mikroprocesor komunikuje się z otoczeniem za pomocą szyny danych i szyny adresowej.
Generalnie każdy bardziej skomplikowany mikroprocesor można zaklasyfikować do jednej z trzech architektur:
- CISC (Complex Instruction Set Computers)
- RISC (Reduced Instruction Set Computers)
- VLIW (Very Long Instruction Word)
Każda z nich ma swoją specyfikę, swoje wady i zalety.
[edytuj] Polska
W Polsce pod koniec lat 70. zakłady CEMI rozpoczęły produkcję mikroprocesora MCY7880 (początkowa nazwa UCY7880) będącego klonem 8080A.
[edytuj] Zobacz też
- procesor
- GPU
- F14 CADC - pierwszy wojskowy mikroprocesor (o rok młodszy i bardziej zaawansowany technicznie od Intela 4004)
