загрузка...
 
5.1. Загальні положення. Дещо з історії процесорів
Повернутись до змісту

5.1. Загальні положення. Дещо з історії процесорів

З розвитком технології і схемотехніки ІМС виникла можливість створення на одному кристалі цілого електронного пристрою, наприклад, радіоприймача, вимірювального приладу чи пристрою керування. Але зрозуміло, що при цьому ІМС (ВІС) стають вузькоспеціалізованими. І якщо у випадку застосування пристроїв масового призначення, що продукуються десятками тисяч (радіоприймач, вимірювальний прилад) це можна прийняти, то з пристроями керування виникають великі проблеми.

Перш за все алгоритм (послідовність виконання дій, що веде до успіху) керування часто є індивідуальним (наприклад, для кожного з автоматичних маніпуляторів, що працюють на складальному конвеєрі з виробництва автомобілів). Крім того, у процесі експлуатації технологічного устаткування часто виникає необхідність у заміні всього алгоритму керування або його частин (додавання або вилучення операцій, зміна послідовності їх виконання). Застосування спеціалізованих ВІС у такому разі з економічної точки зору недоцільне.

Але й побудова пристроїв керування на основі універсальних ІМС середнього ступеня інтеграції, хоча це й менше коштує, теж не є вдалим виходом, оскільки зміни алгоритму при цьому ведуть до зміни електричної схеми пристрою керування (повністю або у деяких її частинах).

До речі, пристрої керування з незмінним алгоритмом називають пристроями з жорсткою логікою.

Усунути протиріччя між ступенем складності ВІС і можливістю її універсального використання вдалося за рахунок застосування програмування виконуваних функцій (у найпростішому випадку це, наприклад, програмування коефіцієнта перерахунку лічильника імпульсів).

Зараз основним типом програмованих ВІС, що мають найбільшу інформаційну потужність, є мікропроцесор.

Мікропроцесор (МП) – це програмно керований пристрій обробки цифрової інформації, виконаний у вигляді однієї (рідше декількох) ВІС. За функціями МП аналогічний центральному  процесору цифрової ЕОМ. Його можна вважати одним з найбільших досягнень сучасної мікроелектроніки.

Тут слід зазначити, що спроби автоматизувати обчислювальні роботи робилися дуже здавна, і займалися цим найвидатніші мислителі і дослідники. Але рівень техніки і технології не дозволяв створити відповідні пристрої. І лише із середніх віків починаються зрушення у цій справі.

Так, у 1642 році фізик Б. Паскаль побудував механічну машину, що виконувала операції додавання та віднімання (надалі було застосовано до п’ятдесяти таких машин). Подібні пристрої розробляли німецький математик Г.В. Лейбніц і російський математик П. Л. Чебишев (орієнтовані на розв’язання рівнянь вищої математики), а пізніше російський інженер В. Т. Орднер. “Колесо Орднера” стало основою арифмометрів. Далі були електромеханічні пристрої – на електромагнітних реле – та, нарешті, електронні – спочатку на лампах, а потім на транзисторах та ІМС.

Найбільш близьким прообразом сучасних цифрових ЕОМ є механічна “аналітична машина” англійського математика

Ч. Беббіджа, запропонована ним у 1833 році і пізніше реалізована його сином (додавання двох чисел тривало 2 секунди, а множення – хвилини). У цій машині вперше була запропонована і реалізована ідея процесора, що почергово виконує у заданій послідовності наперед задані математичні операції над числами. Структура процесора Ч. Беббіджа, що наведена на рис. 5.1, не зазнала суттєвих змін і до нашого часу.

Арифметико-логічний пристрій АЛП тут виконує арифметичні або логічні дії над числами (кодами) у порядку, що задається пристроєм керування ПК згідно із програмою, яка вводиться до нього (наприклад, з перфоративної стрічки).

Практичне застосування процесора можливе за наявності пристрою вводу і виводу чисел ПВВ і запам’ятовувального пристрою ЗП, необхідних для вводу вихідних даних, виводу результатів та збереження проміжних результатів.

 

Рисунок 5.1 – Структура процесора

Повна механічна обчислювальна машина, що мала процесор, ПВВ і ЗП, побудована 1936 року у  Німеччині під керівництвом К. Цузе. Тоді ж з’являється й перша алгоритмічна мова для написання програм для цієї машини. З цього часу розпочинається стрімкий розвиток процесорів як основної ланки обчислювальної машини.

Так, 1938 року також під керівництвом К. Цузе створено процесор на електромагнітних реле, що збільшило швидкість виконання операцій у десятки разів.

1946 року у США побудовано першу електронну обчислювальну машину ENIAK, що містила 18000 електронних ламп (додавання і віднімання тривало 200 мікросекунд, а множення 2800 мікросекунд).

Одна з перших радянських ЕОМ, призначена для серійного виробництва, “Стрела” була створена у 1953 році. Вона містила 6000 ламп, споживала потужність 150 кВА і розміщувалася у приміщенні площею 300 квадратних метрів: уніфіковані її комірки (логічні елементи, тригери та ін.) містилися у 6 вертикальних стійках висотою 2,5 метри та у пульті оператора. Вона виконувала 2000 операцій за секунду. Її постійно обслуговували 5-7 техніків.

Уже у 1955 році з’являються транзисторні процесори, а з початку 60-х років – виконані на ІМС середнього ступеня інтеграції (процесор виконувався десь на п’ятдесяти ІМС).

Для появи мікропроцесора (процесора у мікровиконанні – у вигляді ІМС) необхідна була не тільки технологічна база, що вже з’явилася на кінець 60-х років, а й усвідомлення, розуміння того, що програмно керована логіка більш ефективна і простіша у виконанні при реалізації складних функцій, ніж схеми з жорсткою логікою.

Так, у 1969 році співробітнику фірми Intel (США) М. Хоффу надійшла пропозиція від японської фірми BASICOM розробити комплект ІМС для виконання усіх математичних дій і розрахунку усіх стандартних функцій універсальним калькулятором. Передбачалося створення дванадцяти ІМС на 2000 транзисторів кожна, що мали б виконувати відповідні групи із задуманих функцій. Однак М. Хофф запропонував використати лише одну універсальну ІМС із програмним керуванням що виконувала б усі задані функції, а за необхідності й інші.

Єдиним недоліком було збільшення часу обчислень, що незворотне при програмній реалізації (порівняно з жорсткою логікою). Але для калькулятора це було несуттєво: збільшення тривалості обчислень з десятків мікросекунд до десятків мілісекунд користувачем не помічалось. Отже, 1971 року фірма INTEL створила мікропроцесор INTEL 4004, що виконував операції з чотирирозрядними двійковими числами і вміщував 2250 транзисторів.

З’явившись у мікрокалькуляторах, мікропроцесори (програмна логіка) стали застосовуватись у найрізноманітніших обчислювальних і керуючих пристроях, витісняючи схеми з жорсткою логікою.



загрузка...