Turinys:
1. Įvadas ___________________________________________________________________ 3
2. Centrinio procesoriaus sandara ir veikimas ______________________________________ 3
3. Mikroprocesorių vystimosi istorija ____________________________________________ 4
4. Šių dienų aktualijos ________________________________________________________ 7
5. Ateities perspektyvos _______________________________________________________ 8
6. Literatūra _______________________________________________________________ 10
1. Įvadas
Šiuolaikiniuose kompiuteriuose yra keletas mikroprocesorių (vaizdo, garso apdorojimo, matematiniai). Kiekvienas iš jų skirtas konkrečiai užduočiai atlikti. Vieni gali būti montuojami atskirose plokštėse (video, audio), kiti bendrame bloke su pagrindiniu (matematiniai). Vartojant žodį procesorius, dažniausiai omenyje turimas centrinis kompiuterio mikroprocesorius. Būtent apie jį ir kalbėsime. Kalbant apie procesorius, kaip ir apie kitą kompiuterinę įragą, visada reikia atsižvelgti į medžiagos surinkimo datą. Informacinės technologijos keičiasi ir tobulėja ypač sparčiai. Dar 1965 metais vienas iš „Intel“ korporacijos įkūrėjų Gordonas Mūras pastebėjo, kad tranzistorių skaičius modulyje, vėliau mikroschemoje padvigubėja maždaug kas dveji metai. Toks dėsningumas, vadinamas Mūro dėsniu, galioja iki šiol. Naujas kompiuteris morališkai pasensta maždaug per puse metų. Todėl, tai kas nauja ir tobula šiandien, po keleto mėnesių gali visiškai nebeatitikti realybės.[1,2]
2. Centrinio procesoriaus sandara ir veikimas
Procesorius yra vienas sudėtingiausių ir svarbiausių kompiuterio įrenginių. Jis vykdo programą, deriną kompiuterio dalių darbą, atlieka visas matematines ir logines operacijas.Visuose procesoriuose yra trys pagrindiniai įtaisai.• Aritmetinis loginis įtaisas ALU (Aritmetic Logic Unity). Jis atlieka aritmetines ir logines operacijas.• Registrai – tai kelių baitų talpos atmintys. Juose saugomi įvesti duomenys, adresai, skaičiavimų rezultatai.• Valdymo įtaisas. Jis derina visų procesoriaus įtaisų darbą, valdo programos instrukcijos vykdymą.Šiuolaikiniuose procesoriuose yra ir daugiau įrenginių. Visų jų charakteristikos priklauso nuo konkretaus mikroprocesoriaus tipo. Visi įtaisai tarpusavyje sujungti vidinėmis duomenų, adresų ir valdymo signalų magistralėmis. Procesoriaus darbo našumas didžiąja dalimi priklauso nuo „žodžio“ ilgio, bei nuo darbo dažnio. „Žodžio“ ilgis parodo kiek bitų informacijos vienu metu gali apdoroti procesorius. Pradžioje jis tebuvo 4 bitai, vėliau nuosekliai didėjo: 8, 16, 32, 64 bitai. Procesoriaus taktinis dažnis nurodo, kiek operacijų jis gali atlikti per sekundę. Pirmuose lustuose jis nesiekė 1 MHz, šiuo metu dažniai skaičiuojami tūkstančiais MHz.
Didinant taktinius dažnius buvo panaudota technologija, vadinama sinchronizavimo dubliavimu. Esmė ta, kad techniškai labai sunku pasiekti, jog visi kompiuterio įrenginiai dirbtu tokiu pat dideliu dažniu, kaip procesorius. Todėl nustatomi skirtingi darbo dažniai procesoriui ir likusiai įrangai. Operatyvioji atmintis taip pat dirba mažesniu dažniu. Procesorius labai dažnai kreipiasi į šią atmintį ir yra privertas laukti kol ji pateiks reikiamus duomenis. Sprendžiant šią problemą, procesoriuose pradėta montuoti vadinama spartinančioji atmintis (Cache), kuri yra žymiai greitesnė už operatyviąją.Lusto gamybos technologija, nurodo kokio pločio takeliai naudojami elektros grandinėms. Pirmuose įrenginiuose takeliai buvo 10 mikronų pločio (mikronas yra tūkstantoji milimetro dalis), dabar jie tesiekia 0,13 mikrono. Siaurėjant takeliams, mažėja paties lusto matmenys, galima kurti trumpesnes, mažiau elektros energijos naudojančias grandines, didėja darbo našumas. [1,3]3. Mikroprocesorių vystimosi istorija
Procesorių istorija ypač susijusi su kompanija „Intel“. Ši firma buvo įkurta 1968 metais, joje dirbo tik 12 žmonių. Kurti tokią įmonę buvo rizikinga, nes puslaidininkių pramonė žengė pirmuosius žingsnius ir niekas netikėjo, kad į salę vos telpantis dinozauras gali tapti kiekvieno biuro neatskiriama dalimi. Mintis sukurti universalų programuojamą lustą kilo Marcianui E.Hofui, firmai atliekant japonų kompanijos „Busicom“ užsakymą sukonstruoti ir pagaminti 12 skirtingų lustų įvairių tipų skaičiuotuvams. Jis nutarė suprojektuoti vieną, universalų įrenginį, galinti atlikti visų užsakytų lusų funkcijas. Ir jam tai pavyko. Naujas loginis įtaisas tiko ne tik minėtos kompanijos, bet ir kitiems skaičiuotuvams. Taigi visų mikroprocesorių protėvis „Intel 4004“, buvo pateiktas rinkai 1971 metų lapkričio mėnesį. Tai buvo svarbiausias įvykis po lustų pasirodymo (1958m.). 4004 galėjo apdoroti 4 bitų ilgio informacinius žodžius, dirbo 108 KHz dažniu, turėjo 46 valdymo instrukcijas. Montuojamas buvo į 16 kojelių DIP korpusą. Nors šis įrenginys turėjo tik 2300 tranzistorių, dydžiu prilygo nagui, pajėgumu lenkė elektroninę skaičiavimo mašiną ENIAC, kuri turėjo 18000 lempų, 1500 relių, svėrė 30 tonų, suvartojo 200KW elektros energijos ir kainavo pesę milijono JAV dolerių.
Po metų pasirodė patobulintas „Intel 4040“. Jis turėjo 58 valdymo instrukcijas ir galėjo valdyti 8 KB atmintį. Šis procesorius erdvėlaiviais „Pioneer 10“ ir „Pioneer 11“ buvo nusiųstas už Saulės sistemos ribų, kaip technologinių laimėjimų Žemėje pavyzdys. Neilgai trukus „Intel“ pardavė pirmuosius 8008. jis galėjo apdoroti jau 8 bitus informacijos. Visi šie produktai greitai rado nišą elektronikos rinkoje: pasirodė pirmosios elektroninės svarstyklės, pradėti montuoti efektyviau veikiantys šviesoforai, patobulėjo medicinos technika. 1974 metais „Intel“ pradėjo gaminti 8080 procesorius, kurie buvo montuojami į pirmuosius asmeninius kompiuterius „Altair 8800“(1975m.). 1976 metais 8080 buvo patobulintas ir pavadintas 8085. Įrenginiai buvo labai patikimi, todėl NASA būtent šios serijos procesoriui patikėjo valdyti į Marsą nusiųstą autonominį visureigį „Sojourner“. Tais pačiais metais „Motorola“ pradėjo gaminti originalios architektūros 6800 serijos 8 bitų procesorius. Šie buvo dedami į tuomet labai populiarius buitinius kompiuterius „Commodore“ ir „Atari“, taip pat į pirmuosius „Apple“ kompiuterius. „Apple“ ir dabar naudoja „Motorola“ procesorius. 1979 metais „Intel“ pagamino 8088 procesorius, kuriuos IBM korporacija pasirinko IBM PC tipo asmeniniams kompiuteriams. Garsusis 80286 pagamintas 1981 metais. Tris kartus konkurentus našumu pranokusiame luste buvo sumontuota 134000 tranzistorių, naudojama 1,5 mikrono technologija. 1985 metais išleistame 32 bitų architektūros „Intel 386“ įrenginyje buvo jau 275000 tranzistorių. Per sekundę lustas galėjo įvykdyti iki penkių milijonų instrukcijų, be to galėjo valdyti 4GB atmintį. 1989 metais pasirodžiusiame 1 mikrono „Intel 486“ buvo 1,2 milijono tranzistorių. Našumu jis prilygo didiesiems universaliems kompiuteriams. Net ir to paties dažnio 486 buvo beveik dvigubai spartesnis už 386. Tai tapo įmanoma dėl tobulesnės sandaros ir geresnio operacijų vykdymo organizavimo (konvejerinis duomenų apdorojimas, 8 KB spartinančioji atmintis, matematinis procesorius).1992 metais dienos šviesą išvydo pirmasis „Pentium“ mikroprocesorius, 1500 kartų pranašesnis už „4004“ įtaisą. Naujas lustas buvo sudarytas iš 3,1 milijono tranzistorių. Jame panaudoti visiškai nauji technologiniai sprendimai. „Pentium“ turi dvi spartinančiąsias atmintis – vieną duomenims, kitą instrukcijoms; 64 bitų duomenų magistralę; įtaisą dviems instrukcijoms tuo pačiu metu apdoroti; daug greitesnį matematinį procesorių ir prognozavimo įtaisą, kuris analizuoja instrukcijų seką ir dažniausiai teisingai nusprendžia, kurias instrukcijas apdoroti, nelaukdamas informacijos iš RAM.
Pradedant šia procesorių karta „Intel“ korporacijos gaminiams atsirado alternatyva – tai AMD, Cyrix ir kitų kompanijų lustai, sudarantys nemažą konkurenciją. Tačiau iki šiol „Intel“ išlaiko lyderio pozicijas x86 mikroprocesorių rinkoje. 1994 metais išleistas „P6“ šeimos „Pentium Pro“, su 5,5 milijono tranzistorių. Nauja buvo tai, kad pačiame luste inžinieriai įmontavo ypač sparčią atmintį. Be to „Pentium Pro“ sudėtines operacijas suskaldo į mikrooperacijas ir jas vykdo bet kokia tvarka, jei tik yra reikalingi duomenys. 1997 metus „Intel“ pasitiko su MMX technologija – papildomu instrukcijų rinkiniu procesoriuje. Ši technologija spartina daugialypių sistemų (multimedia) darbą. Tais pačiais metais pasirodė „Pentium II“ lustas, kuriame panaudotos „P6“, bei MMX technologijos, sutalpinta 7,5 milijono tranzistorių. Pigesnių kompiuterių gamintojus „Intel“ nudžiugino supaprastintu „Pentium II“ variantu „Celeron“, kuris neturėjo brangios „Level 2“ spartinančiosios atminties. Beveik tuo pačiu metu pasirodė „AMD K6“ lustas, vėliau dar patobulintas ir sėkmingai konkuravęs su „Pentium II“. Kompanijos Cyrix gaminiai nuo konkurentų atsiliko vaizdo apdorojimo srityje. 1999 metais pasirodė „Pentium III“ ir „AMD K6-3“ procesoriai. „Pentium III“ naudojo 0,18 mikrono technologiją, turėjo iki 25 milijonų tranzistorių. Vėliau pasirodęs AMD Athlon buvo dar galingesnis. Pagaliau 2001 metais „Intel“ pristatė „Pentium 4“ su 42 milijonais tranzistorių. Įvairios „AMD Athlon“ ir „Pentium 4“ modifikacijos iki šiol išlieka galingiausiais lustais „Windows“ terpei.Metai Procesorius Dažnis (MHz) Valdomaatmintis (MB) Tranzistoriai(mln) Technologija(mikronai) Maitinimoįtampa (V)1972 4004 0,108 0,001 0,0023 10 51979 8088 5 1 0,029 3 51982 80286 12…16 16 0,134 1,5 51988 80386 25…33 4000 0,275 1,5 5; 3,31991 80486 25…120 4000 1,2…1,8 1 5; 3,31993 Pentium 60…200 4000 3,1…3,3 0,8; 0,5; 0,35 5; 3,31997 Pentium II 233…450 4000 7,5 0,35 ;0,25 2,8; 2,01999 Pentium III 450…1100 4000 18;25 0,25;0,18;0,13 1,5; 1,652001 Pentium 4 1300…2000 4000 42 0,18; 0,13 1,7
Taigi per 30 metų procesorių gamybos tikslumas padidėjo beveik 80 kartų – nuo 10 iki 0,13 mikrono. Tranzistorių skaičius padidėjo 18000 kartų, darbo dažnis – 14000, lusto plotas – 30, o procesoriaus pajėgumas – maždaug 3000 kartų. Jokia kita pramonės šaka nesivysto tokiais milžiniškais tempais. [1,4,5]
4. Šių dienų aktualijos
Šiuo metu, kaip jau tapo įprasta, procesorių rinką staliniams kompiuteriams iš esmės kontroliuoja trys gamintojai. AMD ir „Intel“ gamina procesorius, naudojamus „Windows“ sistemose, o „Motorola“ – „Apple“ kompiuteriuose. Kadangi Lietuvoje “Apple” kompiuterių nėra daug, aptarsime “Windows” sistemos gaminius.
0,18 mikrono technologija gaminamas „Pentium 4 Willamette“ yra 217 kvadratinių milimetrų dydžio, turi 256K vidinės atminties ir veikia didžiausiu 2 GHz taktiniu dažniu.2002-ųjų metų pradžioje „Intel“ pristatė naują „Pentium 4“, kodiniu pavadinimu „Northwood“. Tai pirmasis „Pentium 4“ procesorius, pagamintas naudojant 0,13 mikrono technologiją. Tai reiškia, kad jo mažiausia dalis yra ne platesnė nei 0,13 mikrono. Naudodamasi naująja technologija, „Intel“ gali į kiekvieną mikroschemą pridėti daugiau – ir efektyvesnių – tranzistorių bei suteikti kiekvienai didesnį taktinį dažnį, taip padidinant spartą. Nepaisant to, kad „Northwood“ yra daug mažesnis už “Willamette” (146 mm²), turi 512K L2 vidinės atminties bei veikia 2 GHz arba 2,2 GHz taktiniu dažniu. Kuo daugiau procesorius turi L2 vidinės atminties, tuo efektyviau jis gali atlikti sudėtingas užduotis. Ateityje „Northwood“ turėtų būti pajėgus pasiekti dar didesnės spartos. 2001 metų rudenį „Intel“ pademonstravo 3,5 Ghz procesorių, o iki 2002-ųjų metų pabaigos 3 GHz sparta veikianti procesoriaus versija turėtų pasirodyti ir rinkoje. Pristačiusi „Northwood“, „Intel“ pakeitė dar vieną svarbų „Pentium 4“ aplinkos aspektą – išleido naują 845DDR mikroschemų rinkinį, suderinamą su DDR atmintimi – technologija, per praėjusius metus ypač paspartinusia AMD procesorius.AMD neatsilieka nuo savo pagrindinio konkurento ir kaip visada siūlo savo produkciją taupesniems vartotojams. Nors šios korporacijos gaminamas „Athlon XP“ veikia mažesniu taktiniu dažniu nei „Pentium 4“, jo sparta nėra mažesnė. „Business Winstone 2001“ testuose kompiuteris su 1,6 GHz „Athlon XP“ procesoriumi, „AMD“ mikroschemų rinkiniu ir DDR atmintimi 7 proc. aplenkė 2.2 GHz 845 DDR „Northwood“ sistemą. Dėl neatitikimo tarp spartos ir taktinių dažnių „AMD“ pardavimams naudoja numerius, kurie tariamai parodo, kaip „Athlon XP“ procesoriaus sparta atitinka „Pentium 4“. Pavyzdžiui, 1,6 GHz „Athlon XP“ parduodamas kaip „1900+“, o 1,5 GHz – kaip „1800+“. [6]5. Ateities perspektyvos
Dauguma dabartinių procesorių turi 32 bitų duomenų ir adresų magistrales ir gali valdyti 4GB talpos RAM. Nors pirmas 64 bitų 100 MHz dažnio procesorius buvo pademonstruotas dar 1991 metais „MIPS Technologies“, plataus prktinio pritaikymo jis nesulaukė. Didžiosios korporacijos (“Intel”, AMD, “Microsoft) intensyviai ruošiasi 64 bitų kompiuterija išstumti į plačiąsias mases. Šie įrenginiai kol kas tikrai nėra būtini eiliniams vartotojams. 64 bitų kompiuterija gali valdyti labai daug atminties, todėl ji patraukli galingoms duomenų taikomosioms programoms, pavyzdžiui, duomenų apdorojimui serveriuose, terabaitinėms duomenų bazėms, mechaninei inžinerijai ir pan.
Ironiška, tačiau dabar didžiausi pokyčiai kompiuterijos pasaulyje vyksta atomų lygmenyje, niekais paversdami spėjimą, jog Moore’o dėsnis greitai pasieks lubas. Tai džiugina gamintojus, besistengiančius į mikroschemas sudėti kuo mažesnius ir spartesnius tranzistorius ir pigiai juos pagaminti, tačiau vartotojams sunku neatsilikti nuo taip sparčiai kintančios technologijos. Pavyzdžiui, „Intel“ dar 2001-ųjų gruodį sukėlė šurmulį žiniasklaidoje paskelbusi apie kuriamą „TeraHertz“ tranzistorių, kuris, bendrovės teigimu, artimiausio dešimtmečio procesoriuose sumažins energijos vartojimą ir padidins spartą. Tranzistoriuje bus naudojami nauji cheminiai junginiai ir glaudesnis dizainas, leisiantis mikroschemoje sujungti iki 1 milijardo tranzistorių; t.y. 25 kartus daugiau, nei naudojama šiandieniniuose procesoriuose. Procesorius, kurį „Intel“ norėtų pradėti pardavinėti iki 2005-ųjų, veiks dešimt kartų sparčiau nei dabartiniai, o energijos suvartos ne daugiau.Taigi, kol perkate naujausią šiuo metu rinkoje esantį procesorių, AMD, IBM, „Intel“, „Motorola“ ir kitų technologijos bendrovių inžinieriai iš peties darbuojasi kurdami naujos kartos technologiją, kurios dėka pasirodys patys mažiausi ir efektyviausi procesoriai, veiksiantys nežmoniška sparta. [5,6]6. Literatūra
1. Baigimantas Starkus. Personalinis kompiuteris. Smalija. Kaunas. 1997m. 27, 86 – 93 psl.2. Kompiuterija (3) 1997m. lapkritis. 7 psl. 3. Kompiuterija (5) 1998m. sausis. 8-11 psl.4. Kompiuterija (13) 1998m. rugsėjis. 4,6 psl.5. Kompiuterija (53) 2002m. sausis. 23 psl.6. http://www.nkm.lt