Микропроцессор: что нужно знать начинающим электронщикам

Микропроцессор (CPU или Центральный процессор*) – устройство обработки цифровой и аналоговой информации, основная часть аппаратного контроля системы, а заодно и главный инструмент, способный проводить арифметические и логические операции, записанные с использованием машинного кода.

Основных функций у ЦП* несколько – передача данных между оперативной памятью и остальными компонентами ПК, синхронизация информации на внешних и внутренних накопителях, организация многопотоковой и многопрограммной работы в бесперебойном режиме, дешифрация машинного кода, синхронизация чисел разного регистра. И хотя перечисленные функции сложно переводимы на «обывательский язык», запомнить стоит следующее – «Центральный процессор» – важнейший элемент любого персонального компьютера.

И еще на заметку удивительный факт – за все те годы развития микропроцессоров им так и не нашлось никакой альтернативы. Даже современные новинки от Intel, справляющиеся с нагрузкой в тысячу раз быстрее, чем все конкуренты из далекого прошлого, и домашние чипы, обгоняющие по скорости все компьютеры, находившиеся на базе космического корабля «Аполлон», покорившего Луну, так и остаются процессорами с одинаковыми задачами и целями…

Назначение и область применения микропроцессоров

Функционально микропроцессор предназначен для решения следующих задач:

1. Поэтапное чтение и расшифровывание команд из основной и оперативной памяти, регистров и адаптеров внешних устройств.
2. Обработка запросов при обслуживании компонентов персонального компьютера.
3. Синхронизация данных на накопителях данных.
4. Генерация сигналов управления узлами и блоками ПК.

Кроме того, важно понимать, из каких именно частей состоит любой процессор:

1. Устройство обработки арифметических, логических и любых других числовых, символьных операций, появляющихся по ходу взаимодействия с компьютером.
2. Центр управления и координации взаимодействия различных компонентов ПК (речь обо всем и сразу – об оперативной памяти, подключаемых клавиатурах и мышках, контроллерах USB, наушниках и прочем).
3. Микропроцессорная память, отвечающая за последовательное хранение различных данных, действий и команд, для увеличения скорости обработки информации и непосредственной экономии времени (зачем дважды высчитывать один и тот же пример, если ответ уже хранится в заранее подготовленной ячейке?).
4. Интерфейсная система – возможности взаимодействия с процессором через системы ввода-вывода.

История развития: первый микропроцессор

Транзисторы, электромеханические реле, сердечники, вакуумные лампы – первые процессоры, старательно выполнявшие несложные арифметические и логические операции, появились еще в далеком 1940 году, но оставались ненадежными, громоздкими, да и неприменимыми в бытовых условиях (основное назначение – государственные разработки, крупные и набирающие обороты перерабатывающие фирмы) – слишком большое выделение энергии, неконтролируемая теплоотдача, низкая скорость обработки данных. Мечтать о домашнем применении подобных чипов и не приходилось, хотя бы из-за нехватки свободного места. Поставить в какой-нибудь из комнат ЭВМ с микропроцессором получилось бы лишь во дворце.

Со временем все изменилось. В 1970 году Эдвард Хофф, представлявший крупнейший отдел разработки компонентов для электронно-вычислительных машин, представил руководителям компании Intel интегральную схему, выполнявшую те же функции, что и чипы ЭВМ, но с маленьким нюансом – плата Эдварда помещалась в руке, обрабатывала 4 бита информации в секунду (конкуренты выдавали мощности в разы серьезнее – до 32 бит одновременно), и стоила в тысячу раз дешевле.

Первые калькуляторы снабжали именно процессором 4004 Эдварда Хоффа, которые появились в продаже в начале 1971 года. С этого момента, как принято считать, и началась эра новых процессоров, изменивших мир.

Дальше история развития микропроцессоров двинулась следующим путем:

1. 1 апреля 1974 года. Intel вновь шокирует заинтересованную публику – на закрытых прилавках появилась модель 8080 с 6 тысячами транзисторов на крошечной схеме, объем памяти увеличен до 64 килобайт, проблемы с потреблением энергии решены, теплоотдача – практически нулевая. Чуть позже появился чип 8086, заложивший основы разрядности современных компьютеров.
2. Октябрь 1985 года. В центре внимания снова Intel, с еще более неожиданной новинкой – моделью i 32-битная архитектура, новые возможности по управлению памятью, увеличенные мощности, тактовая частота в 16 МГц и общее быстродействие на уровне 6 Mips – мир и представить не мог, насколько быстро меняются возможности тех допотопных компьютеров, неожиданно получивших возможность работать с 4 Гб оперативной памяти и проводить тысячи арифметических действий всего за несколько секунд. А ведь впереди еще больше открытий!
3. Осень 1989 года. Микропроцессор i80486DX, уместивший на крошечной плате 1.2 миллиона транзисторов, а еще сопроцессор и кэш-память, позволившая увеличивать текущую работоспособность компьютера путем промежуточного хранения некоторых данных, чисел, команд и действий. Общая производительность увеличилась до 16.5 Mips. Тактовая частота возросла до 16 МГц.
4. Начало 1991 года. Появление i80486SX – штатное увеличение мощностей, долгие раздумья разработчиков из Intel на счет внедрения появляющихся чипов в ноутбуки и иные портативные устройства. Как результат – разные версии процессоров, рассчитанные под меняющиеся (иногда вычислительные, порой – контролирующие) нужды. Все эксперименты закончились появлением 2-го поколения МП (вроде i486DX2), поддерживающих новую технологию распределения мощностей между двумя разными ядрами центральной системы.
5. Март 1995 года. Мир впервые знакомится с Intel Pentium, поставки чипов в магазинах для обычных пользователей – не за горами. Мощности увеличены до возможного (по тем годам) предела – 1 млрд. Mips.

Далее появились поставки многоядерных процессоров, затем появился Xeon и Intel Core, а после на мировом рынке загорелась новая звезда – модульные процессоры AMD. С тех пор (а именно с 2007 года) между двумя компаниями и ведется беспрерывная война за внимание пользователей.

На текущий момент хотя бы примерно описать состояние рынка МП невозможно – Intel Core представляет новые архитектуры микропроцессора (Coffee Lake, Skylake, Haswell, Kaby Lake) чуть ли не каждый год, а заодно меняет наименования семейства процессоров (Intel Core i3, i5, i7, i9). AMD старается удивлять низкими ценами и внушительными возможностями разгона. И кто в таком хаосе лидер – до сих пор не разобрать.

Разновидности микропроцессоров

И современные, и давно известные миру МП легко разделить на четыре части:

1. CISC – универсальная архитектура, появившаяся в 1980-ом году. Поддерживается расширенный список команд, простые операции выполняются достаточно долго, зато проблем со сложными не бывает из-за многозадачности.
2. RISC – альтернатива первому варианту с усеченной памятью. Каждый процесс при выполнении разбивается на маленькие команды.
3. VLIW, поддерживающие сразу несколько вычислительных устройств, и выполняющие операции параллельно для обеспечения максимального быстродействия.
4. MISC – хитрая архитектура, позволяющая укладывать разные команды в одну большую ячейку. В итоге, при одном цикле работы, центральный процессор считывает все записанные команды за раз.

Основные характеристики

К основным характеристикам микропроцессора относятся:

1. Тактовая частота – определяет общий уровень быстродействия.
2. Разрядность – отвечает за скорость обработки информации за положенную единицу времени (пожалуй, основной характеристикой микропроцессора и является).
3. Система команд – спецификация архитектуры чипа в зависимости от типа данных, предлагаемых инструкций, регистров и модулей памяти.
4. Объем адресуемой памяти.

Особенности российских микропроцессоров

С 1998 года и по сей день в отечественном сегменте разработкой микропроцессоров занимается компания «МЦСТ». Результаты впечатляющие – стабильное производство RISC систем, внедрение серии Эльбрус в применение на военно-оборонительных комплексах, космических станциях и засекреченных базах для передачи данных с максимальным уровнем шифрования. Заслуги компании «МЦСТ» серьезные, хотя многими обывателями подобные «успехи» кажутся смешными, на фоне мировых гигантов вроде Intel и AMD.

Да, достижения еще не те, но и цели совсем разные, верно? Едва ли «Эльбрус» стоит расценивать, как игровой чип, способный запустить все современные развлечения в максимальном качестве – это, в первую очередь, система для сверхбыстрой обработки данных (прежде всего, военного назначения) в полевых и даже экстремальных условиях.

История развития процессоров из России:

1. 1998 год. Первая модель SPARC с частотой 80 МГц.
2. 2001 год. Корректировка модели SPARC, увеличение мощностей, снижение уровня потребляемой энергии, работа над третьей версией процессора с частотой в 500 МГц.
3. 2004 год. Представлен E2K – процессор нового поколения, способный работать практически в любых условиях.
4. 2005 год. Появление первых образцов «Эльбруса», эксперименты и взгляд в будущее – впереди долгие годы борьбы за мировое лидерство в области современных технологий…