Historie CPU

Co je procesor

• Výroba mikroprocesorů začala roku 1971 na základě podkladů M. E. Hoffa z roku 1969
• První firmou byla Texas Instruments
• Je řídící jednotkou počítače – centrální jednotka (Central procesor Unit)
• Jde o integrovaný obvod, jehož úkolem je provádět instrukce programu ležícího v operační paměti
• Základem každého procesoru je logický obvod, který dokáže zpracovat sadu jednoduchých mikroinstrukcí
• Každý procesor je též vybaven druhou sadou instrukcí – strojovým kódem

Strojový kód

• Jde o instrukční sadu, kterou je vybaven každý procesor
• Obsahuje instrukce pro manipulaci s pamětí, řízení toku a zpracování instrukcí
• Jednotlivé instrukce mají definovaný číselný kód
• Procesor umí tyto instrukce detekovat a vykonat
• Každou instrukci si procesor interně rozloží na mikroinstukce a ty provede

Strojová instrukce

• Strojová instrukce se přečte z operační paměti, dekóduje, rozloží na mikroinstukce a provede
• Skladba instrukce: kód instrukce a adresy operandů
• Instrukce pracuje s operandy (hodnotami)
• Instrukce obsahuje adresy míst, kde jsou operandy uloženy
• Programování ve strojovém kódu se pro svou složitost používá spíše výjmečně
• Programátoři pracují ve vyšších programovacích jazycích, nebo v jazyce symbolických adres (assembler), které jsou specializovanými programy překládány do strojového kódu příslušného procesoru

Kritéria dělící procesory

• Některé odlišnosti mohou vést k nekompatibilitě procesorů
• Kompatibilita = slučitelnost
• Strojovým kódem -procesory mohou mít pro stejnou instrukci jiný kód (nejsou spolu kompatibilní), výrobci: Intel a Motorola
• Množstvím a druhem instrukcí (vnitřní stavbou) – existují 2 koncepce – CISC (kompletní sada instrukcí) a RISC (regulovaná (omezená) sada instrukcí, často účelově zaměřená (grafika, servry)
• Šíře slova – schopnost zpracovat najednou určité množství bitů (8, 16, 32, 64, 128)
• Frekvence – každá základová deska je vybavena generátorem taktů (generuje taktovací impulsy) (jakési pracovní tempo procesoru) – procesor je od výrobce vybaven násobičem (poměr mezi interní frekvencí a frekvencí sběrnice)
• Zapouzdření
• Typ patice
• Velikost cache

Vývoj procesorů Intel

Intel 4004

• První programovatelný čip (1969)
• Byl užíván jako 4b procesor Busicom kalkulačky
• Vyráběn byl od roku 1971
• Data zpracovával na 4 bitech, ale jeho instrukce měly délku 8 bitů
• Frekvence: 108 kHz

Intel 8008

• Uveden v dubnu 1972
• Jde o 1. 8bitový procesor
• Paměť: 16 kB
• Frekvence 200 kHz

Intel 8080

• Uveden roku 1974
• 16 bitová paměť a 8 bitová sběrnice
• Používán v 1. obecně známém počítači Altair

Intel i 8088 a 8086

• Uvedeno: 1978
• Oba typy byly kompatibilní binárně, ale ne pinově (vykonávají stejné programy, ael vyžadují každý jinou patici)
• Počet tranzistorů: 29 tisíc
• Typy se lišily v šíři datové sběrnice (8086 měl 16 bitovou a 8088 jen 8 bitovou sběrnici)
• Oba typy šlo rozšířit o pomocný procesor Intel 8087 (přebírá od hlavního procesoru řešení některých náročnějších instrukcí (především výpočty s reálnými čísly) (počet instrukcí strojového kódu byl 170))
• Koporocesor = pomocný procesor, který pomáhá s vykonáním náročnějších instrukcí (operace s reálnými čísly)

Intel i 80286

• Uveden: 1986
• Instrukční sada zvětšena ze 170 na 220 instrukcí
• Procesor i sběrnice byly 16 bitový
• Pracuje v chráněném režimu (mód chráněné virtuální paměti – programy jsou od sebe izolovány jako by měly celý systém pro sebe
• Koprocesor: 80287
• Počet tranzistorů: 120 tisíc

• Reálný režim (real mode, režim reálné adresy)
• v tomto režimu pracuje procesor stejně jako jeho předchůdci (8086 a 8088)
• používá 20 bitů pro tvorbu adresy, která je tvořena podle stejného modelu jako u 8086
• tento režim umožňuje spouštění programů napsaných pro jeho předchůdce
• chráněný režim (protected mode, režim virtuální adresy)
• je novinkou podporující podporující multiprogramování (současný běh více programů)
• nezbytností se stává ochrana mezi jednotlivými programy a různé úrovně přístupu k prostředkům počítače
• užívá jiný model pro vytváření adresy
• adresa je tvořena ze dvou 16 bitových složek nazývaných selektor a offset pomocí tzv. tabulek deskriptorů
• výsledná adresa je 24 bitová, což umožňuje adresovat maximálně 224B = 16 MB operační paměti

Intel  i 80386 SX

• uveden v říjnu roku 1985
• procesor je 32 bitový = má 32 bitovou vnitřní architekturu
• datová sběrnice 16 bitů
• počet instrukcí 220
• koprocesor 80387 SX
• počet tranzistorů 275 tisíc

Intel i 80386

• říjen 1985
• plně 32 bitový
• sběrnice též 32 bitová
• koprocesor i80386
• poprvé užita paměť cache (externí)
• reálný režim (real mode)
• velmi podobný reálnému režimu předchozích procesorů
• V tomto režimu mohou opět pracovat programy určené pro předešlé procesory (8086/8088).
• chráněný režim (protected mode)
• velmi podobný  procesoru 80286
• Šířka adresové sběrnice je 32 bitů, což dovoluje adresovat operační paměť o maximální kapacitě 4 GB
• opět používá pro tvorbu adresy dvou složek (selektor, offset)
• Selektor je opět rozdělen do tří částí, které mají stejný význam jako u procesoru 80286, ale bázová adresa je nikoliv 24bitová, ale 32bitová
• Dalším rozdílem je velikost offsetu, jehož velikost je 32 bitů
•  Procesor 80386 adresoval až 4 GB (232B) operační paměti a aby velikost jednoho segmentu byla také 4 GB
• Jedna položka tabulky deskriptorů obsahuje:
• bázovou adresu (32 bitů): adresa začátku segmentu
• limit segmentu (20 bitů): maximální velikost segmentu, která je brána buď v bytech (max. 1 MB), nebo v násobcích 4 kB (max. 4 GB)
• přístupová práva k segmentu (8 bitů): podobně jako u procesoru 80286
• další informace (4 B): např. výše zmíněná interpretace limitu segmentu
• adresa určená tímto schématem nemusím být ještě fyzickou adresou ukazující přímo do operační paměti, ale je možné, aby byla dále transformována mechanismem zvaným stránkování
• 32bitová lineární adresa je rozdělena na tři části:
• Adresář: tvořen nejvyššími 10 bity, slouží jako index tabulky zvané adresář, odkud je vybrána 20bitová báze tabulky stránek.
• Tabulka: tvořena nižšími 10 bity, slouží jako index do tabulky stránek. Z této tabulky se vyzvedne 20 bitová báze stránky, která tvoří 20 nejvyšších bitů fyzické adresy.
• Offset: tvořen nejnižšími 12 bity a je potom sečten s o 12 bitů posunutou (vynásobenou 4096) bází stránky tak, že tvoří nejnižších 12 bitů fyzické adresy
• Mechanismus stránkování
• Nese problém dvou přístupů do tabulek uložených v operační paměti, což může procesor zdržovat
• Za účelem zrychlení má procesor vestavěnou vyrovnávací cache paměťzvanou TLB, ve které jsou uloženy posledně použité lineární adresy a k nim odpovídající fyzické adresy
• virtuální režim
• tomto režimu procesor 80386 pracuje podobně jako procesor 8086 (8088), ale je plně podřízen režimu chráněnému
• Je možné takto virtualizovat 1 MB operační paměti, který mohl adresovat procesor 8086 a uložit jej kamkoliv do 4 GB operační paměti
• – Compaq byl první významnou firmou, která představila počítač sestavený s procesorem 80386 a tím na trhu porazila IBM

Intel i 80486 SX

• Uveden 1989
• Procesor je stále samostatný přídavný čip
• Přidaná interní cache
• Počet instrukcí 220
• Plně 32 bitový
• Počet tranzistorů 1,18 milionu

Intel i 80486

• Uveden 1989
• Integrace matematického koprocesoru přímo do jádra
• Varianty: DX2 (zdvojnásobovala) a DX3 (ztrojnásobovala) základní taktovací frekvenci
• Počet instrukcí 220
• Počet tranzistorů 1,18 milionu

Intel Pentium

• Uvedení: listopad 19993
• 32 bitový procesor
• Datová sběrnice 64 bitů
• Počet tranzistorů 3,1 – 3,3 milionu
• Vybaven 2 ALU
• Technologie Plug and Play

• Plug & Play je společným projektem Microsoft, Intel a Compaq
• Myšlenka Plug & Play (zapoj a hraj) spočívá v přidání obvodů na karty tak, aby bylo možné desky automaticky nastavovat a vznášet dotazy na požadované zdroje
• Plug & Play umožňuje OS automaticky konfigurovat desky a dotazovat se na ně, což snižuje nutnost otevření PC na minimum

Intel Pentium Pro

• Uvedení: podzim roku 1995
• Počet bitů 32
• Je vytvářen druhý cache čipem, který zvyšuje rychlost (integrovaná cache L2 v tele procesoru o velikosti až 1024 bitů
• Počet tranzistorů 5,5 milionu

Intel Pentium MMX

• Datum uvedení: 1997
• Soubor instrukcí rozšířen o soubor instrukcí pro multimediální operace
• Počet tranzistorů 4,5 milionu
• Procesor 32 bitů
• Sběrnice 64 bitů
• techniky19Technologie MMX využívá techniky SIMD(Single Instruction Multiple Data), která dovoluje zpracovat mnoho informací během jediné instrukce
•  Možnosti MMX technologie využívají především aplikace pro práci s: 2D / 3D grafikou zvukem rozpoznáváním řeči videem kompresí dat
•  Procesory s touto technologií jsou plně kompatibilní se všemi předchůdci řady Intel 80×86

Intel Pentium II

• Uvedení roku 1997
• Počet bitů: 32
• Počet tranzistorů 7,5 milionu
• Podobné vlastnosti jako Intel Pentium Pro
• Vybaven technologií MMX
• Levnější variantou je Intel Celeron (duben 1998) – nemá tecnologii 2L cache a chybí zapoudření
• Frekvence: 233 – 450 MHz

Intel Pentium II Xeon

• Uvedení roku 1998
• Vyvynut pro servry a počítače sloužící jako pracovní stanice
• Hlavní výhodou je využití mutltiprocesorových systémech
• Muže mít cache až 2MB
• Počet tranzistorů 7,5 milionu
• 32 bitový
• Frekvence 233 – 450 MHz

Intel Pentium III

• Uvedení: 1999
• Je určen pro práci s internetem a pro uživatele vyžadující rychlý přenos dat
• 70 nových instrukcí pro blokové zpracování dat pro více dat zpracovaných jednou instrukcí
• Počet bitů: 32
• Frekvence 400 MHz – 1,4 GHz

Intel Pentium 4

• Uvedení: 2000
• Počet bitů 32
• Frekvence 1,3 – 3,2 GHz
• Používá řízený pokles napětí s rostoucím odběrem
• Jiná logika sběrnice
• Vylepšené technologie výroby
•  Má velký příkon => všechny základové desky určené pro tento procesor mají nový regulátor napětí, na jehož vstupu je 12 V
• Varianty: Xeon (32 bitů, frekvence 1,4 – 1,7 GHz) a Prescott (uveden 2004, frekvence 2,8 – 3,6 GHz)

Intel Itanium

• Uveden v květnu 2001
• Počet bitů: 64
• Frekvence: 733 – 800 MHz
• Šíře sběrnice 64 bitů

Intel Itanium 2

• Uvedení: červenec 2002
• Počet bitů 64
• Frekvence 1,3 – 1,5 GHz
• Zcela nové výpočetní jádro
• Integrováno 3MB cache