Микропроцесорът е централен процесор, в който всички или повечето от математическите и логически операции се изпълняват от една-единствена или най-много от няколко интегрални схемиKrishna Kant Microprocessors And Microcontrollers: Architecture Programming And System Design, PHI Learning Pvt. Ltd., 2007 ISBN 81-203-3191-5, page 61, describing the iAPX 432..
Съвременните технологии в микроелектрониката позволяват всички необходими електрически вериги да бъдат интегрирани на един или няколко чипа, като при това производственият процес е напълно автоматизиран и позволява производството на голям брой изделия на приемлива цена. С това нараства и надеждността им на работа, тъй като чувствително се намалява вероятността от дефект в електрическите връзки. Всъщност броят на елементарните логически елементи в един съвременен процесор е такъв, че неговото реализиране с дискретни такива е невъзможно както заради споменатия проблем с надеждността така и заради критичното закъснение и съответно фазово изкривяване на тактовите и данновите сигнали по свързващите отделните компоненти и блокове шини.
Използването на микропроцесори позволява и да се създават разнообразни електронни устройства въз основа на един тип микропроцесор, като се използват едни и същи програмни средства за създаване на фамилия управляващи програми. Това предопределя висока серийност и ниска цена на микропроцесорите, както и ниска стойност за разработка на софтуер, а в резултат – бърза разработка и невисока цена на изделията.
Развитието на технологиите за проектиране и производство на интегрални схеми води до създаването на все по-сложни и по-производителни микропроцесори. Съотношението между сложност, цена и време се описва от емпиричния Закон на Мур, според който сложността на интегралните схеми се удвоява на всеки 2 години, със същия темп растат общите производствени разходи за фабриките, а цената на единичните компоненти намалява.
История
Преди появата на микропроцесорите компютрите се състоят от цели шкафове, често с регулирана температура, с отделни печатни платки с обемен и повърхностен монтаж. Появата на интегрални схеми с постепенно нарастваща степен на интеграция (например четвърто поколение компютри съдържат интегрални схеми с висока степен на интеграция) позволява постепенно намаляване на броя и размера на платките и заеманото пространство, като в днешно време има дори едноплаткови компютри. Микропроцесорите се прилагат повсеместно, от вградените системи през мейнфрейм компютрите до суперкомпютрите.
Първият микропроцесор Intel 4004 се появява на пазара през 1971 година в резултат на съвместна разработка на калкулатор между фирмите Intel и Busicom. Той е 4-битов, т.е. данните, които обработва, са представени като 4-битови думи, работи с максимална тактова честота 740 kHz, поддържа 46 команди и е част от микропроцесорна система с още 3 периферни интегрални схеми.
Постепенно биват разработени и 8-, 16-, 32- и 64-битови микропроцесори, а в последните години и такива с повече от едно микропроцесорно ядро.
Основни параметри
Микропроцесорите могат да се класифицират по няколко признака, свързани до голяма степен с производителността им. Това са скорост, разредност и адресно пространство. Скоростта на микропроцесорите се определя от тактовата честота на синхронизиращите импулси, измервана в мегахерци (MHz) и гигахерци (GHz). Колкото по-голяма е тя, толкова по-голям брой елементарни операции могат да бъдат извършени за единица време. Разредността на микропроцесора се определя от тази на три основни структурни елемента: регистрите, шините за данни и шините за адреси в паметта. Освен тези основни параметри, за класификацията на микропроцесора имат значение и следните показатели – тип и обем на кеш-паметта, брой и степени (дълбочина) на конвейерните вериги, технологии ММХ, 3DNow! и Enhanced 3Dnow и други.
Разрядност
Според разредността микропроцесорите биват 4, 8, 12, 16, 32, 64 битови: 4 битови Първият микропроцесор (1971 г.) е Intel 4004 с разредност 4 бита, който адресира 640 байта памет, работи с тактова честота 108 kHz и има производителност 0,06 MIPS (). Той е използван почти изключително за конструиране на калкулатори. Съдържа 2300 р-канални МОП транзистори и е изпълняван по планарна технология с ширина на линията 10 микрона. 8 битови През 1972 г. Intel пуска в продажба процесора i8008, който първоначално работи на честота 200 KHz и притежава 8-битова шина за данни. През 1974 се появява и 8-битовият процесор i8080, с който се конструират терминали, контролери и смятаният за първи персонален компютър Altair. Процесорът има 6000 транзистора, изработван е по 6 микронна технология, с тактова честота 2 MHz и може да адресира 64 КВ памет. Този микропроцесор в продължение на почти цяло десетилетие е световен стандарт сред 8-битовите микропроцесориIntel 8008 data sheet. 12 битови Семейството процесори Intersil 6100 включва 12-битовия микропроцесор Intersil 6100 и множество периферни устройства. Микропроцесорът е съвместим на ниво инструкции с миникомпютъра PDP-8 на DEC. По тази причина е наричан CMOS-PDP8. С оглед на факта, че е произвеждан от Harris Corporation, е известен и като Harris HM-6100. Благодарение на качествата на неговата CMOS технология и свързаните с това предимства, моделът 6100 е част от някои военни разработки до началото на 1980-те. 16 битови Intel пуска първия 16-битов процесор i8086 през 1978 година. Той е родоначалник на знаменитото семейство Intel 80х86 (което често се означава като х86). Архитектурата на този процесор се отличава значително от архитектурата на 8-битовите микропроцесори, ориентирани към решаване на задачи, изискващи относително малък брой изчислителни операции. В Intel 8086 са реализирани голям набор команди и методи за адресация на паметта и е обезпечена ефективна обработка на прекъсванията. Той работи с честота 5 MHz, има производителност 0,33 MIPS, изработен е по 3 микронна технология и има 29 000 транзистора. Процесорът има 20-битова адресна шина и 16-битова шина за данни. Адресируемата памет е 1 МВ, регистровата архитектура и системата от команди съществено се отличават от предшественика i8085, но общите идеи на концепцията на фирмата се запазват. Наред с основния микропроцесор е разработен и аритметичен копроцесор i8087, който се включва към i8086 за изпълнение на операции с числа с плаваща запетая (напр. при изчисленията на тригонометрични, логаритмични и други математически функции). На следващата година се появява i8088 – същият микропроцесор, но с 8-битова шина за данни. С него започва историята на най-популярните компютърни системи IBM PC. През целия период на развитие на IBM PC компютрите, Intel е неразривно свързан с това развитие, докато самата IBM има доста по-малко участие в него. 32 битови През 1985 г. се появява първият 32-битов микропроцесор i80386. Той съдържа 275 000 транзистора и е изработен по 1,5 микронна технология. Има 32-битова шина за данни и адреси, а адресируемата физическа памет достига 4 GB. Усъвършенстван е защитеният режим на работа и се въвежда странициране на паметта. Аритметичният копроцесор i80387 е предназначен за обработка на данни с плаваща запетая. Като междинна версия е разработен вариант с 16-битова шина (адресируема памет 16 МВ) i80386SX, който е предназначен за замяна на процесорите i80286 в компютрите от типа IBM PC/AT. На основата на i80386 се появяват първите версии на операционната система Windows и нейните приложения.
Приблизително от това време датира т. нар. ‘положителна обратна връзка’ в компютърната индустрия – при появата на всеки нов процесор, софтуерните компании пускат нови привлекателни софтуерни продукти, оползотворяващи възможностите им. Така новият софтуер постоянно изисква все по-мощни компютърни системи, а новият хардуер изисква нов софтуер за ефективно използване на ресурсите. Получава се затворен кръг, който може да се смята за естествен, но нарастващите изчислителни ресурси не стимулират разработчиците да разработват ефективни алгоритми за решаване на задачите. Типичен пример в това отношение е програмната среда Windows и разработваните на нейна основа приложни продукти. Pentium Благодарение на ефективната си производствена политика, компанията Intel има лидерска позиция в областта на производството на микропроцесори за персонални компютри. В началото на 1990-те обаче редица други конкурентни компании като Advanced MicroDevices (AMD), Cyrix, Texas Instruments, IBM и др. започват да предлагат микропроцесори, функционално аналогични на i80386 и i80486, като по производителност и цена някои от тях дори превъзхождат процесорите на Intel. Опитите на Intel да защити по съдебен ред авторството си претърпяват неуспех, тъй като в щатското законодателство числените означения не се разглеждат като запазена марка. Intel е принуден да разработи микропроцесор от ново (пето) поколение, който вместо i80586 е наречен Pentium (пети)(1993). Първоначално Pentium работи с тактова честота 60 и 66 MHz и е 32-битов с 64-битова шина за данни. Съдържа около 3 100 000 транзистора и е изработен по 0,8 микронна технология. В тези микропроцесори е внедрена Харвардска архитектура с разделяне на потоците на командите и данните, като кеш-паметта се разделя на два блока – за команди и данни. Освен това в Pentium се въвежда суперскаларна архитектура, при която няколко операции се изпълняват едновременно в четири паралелно работещи устройства: две за обработка на целочислени данни; едно за обработка на числа с плаваща запетая и едно за команди с условен преход. Така изпълнението на командите се организира във вид на конвейер, съдържащ пет последователни степени (конвейерна обработка на информацията). Паралелно с развитието на Pentium се работи и по модификацията Pentium Pro, който става родоначалник на ново поколение микропроцесори Р6 (Pentium от шесто поколение). Той се отличава с разширяване на конвейерната обработка на данните (до 12 степени на паралелно заредени команди). В процесора е реализирано предварително изтегляне на информация от паметта, а самото изпълнение на операциите зависи от това дали данните за тях са готови. Така естествената последователност на изпълнение на командите може и да не се спазва, като по-задна команда може да се изпълни преди по-ранна, стига данните за нея да са готови. В резултат на това се получава до 1,5 – 2 пъти по-голяма производителност при работа с 32-битови операнди (данни). Обаче при работа с 16-битовите приложения (DOS) и с Windows 95 Pentium Pro не постига по-голяма производителност. Друго отличие на Pentium Pro е това, че в корпуса на микропроцесора е поместен втори чип, който осигурява вторична кеш-памет с честотата на процесорното ядро с големина 256 КВ. Микропроцесорът съдържа 5 500 000 транзистора, а вторичната кеш-памет – 15 500 000 транзистора. Двата чипа са свързани с отделна високоскоростна шина, работеща с тактовата честота на микропроцесора. Използването на две независими шини е характерна особеност на процесорите от семейството Р6. Основната системна шина FSB (Front Side Bus) работи с тактова честота, определена от възможностите на микропроцесора и системната шина: 66, 100, 133, 200, 400 или 533 MHz. За свързване на вторичната кеш-памет с процесора се използва отделна високоскоростна шина BSB (Back Side Bus), която обезпечава обмен на информацията с честота от 500 MHz до 2 GHz.
64 битови