Главная Процессоры Память Материнские платы Накопители Видеосистема Периферийные устройства Экзамен
Микропроцессоры.
Все персональные компьютеры и растущее число наиболее современного оборудования работают на специальной электронной схеме, названной микропроцессором. Часто его называют компьютер в чипе. Современный микропроцессор - это кусочек кремния; который был выращен в стерильных условиях по специальной технологии.
Полупроводники.
Человек научился помещать примеси других атомов в кристаллическую решетку без разрушения этой сложной конструкции. Примеси позволили кремнию изменить свои свойства, касающиеся проводимости электрического тока. Эти свойства позволили отнести полученный материал к новому классу - классу полупроводников. Этот термин отражает промежуточные свойства материала по способности проводить электрический ток: хуже, чем у проводников, но лучше, чем у изоляторов .
Транзисторы .
В 1947 году ученые лаборатории Bell осторожно внесли примесь в кремниевый кристалл, разделив его кристаллическую решетку на три тонких слоя. Это позволо перемешать атомы различных материалов в кристаллической решетке. Таким образом получился первый транзистор - крошечная пластина серебристого кремния, способная проводить электронный поток, причем входной поток, поступавший на один электрод, преобразовывался и имел уже другие значения на двух других электродах.
Транзисторы были прорывом в будущее. Они позволили отказаться от электронных вакуумных ламп.
Аналоговые и цифровые схемы.
Электрические преобразования можно проводить двумя путями. Слабый сигнал может быть усилен в сигнал точно такой же формы, как оригинал, но с гораздо большими значениями. Этот процесс получения большего аналога малого сигнала получил название аналогового преобразования. А сам сигнал назван аналоговым. Такое преобразование можно использовать для усиления звука, когда мы получаем сигнал точно такой формы, но гораздо большего значения. И, напротив, малый сигнал можно увеличить до большого и, наоборот, большой - уменьшить до малого, игнорируя все промежуточные значения. В результате мы получим серию импульсов, которые могут быть использованы для кодировки значений каких-либо величин. Отсюда электронные устройства, использующие подобную технологию, были названы цифровыми.
Цифровая логика.
Само по себе включение одного выключателя другим может быть бесполезным, однако транзистор может быть включен комбинацией сигналов точно так же, как и одиночным импульсом. Транзисторная схема может быть разработана так, что она сформирует сигнал только после того, как получит два входных. Другая схема может сделать то же самое только тогда, когда на ее входах нет ни одного сигна:ла, или когда присутствует хотя бы один. Такие схемы называются логическими вентилями. Они получили такое имя потому что, подобно обычным вентилям, могут пропускать, когда они открыты, либо не пропускать, в закрытом состоянии, электрические сигналы. Эти функции позволяют реализовать принципы формальной логики. Первые компьютеры были созданы по принципу логических вентилей, хотя они были разработаны не на транзисторах. И вакуумные лампы, и реле могут работать по тому же принципу логических вентилей. У транзисторов большое преимущество - они меньше и быстрее.
Интегральные схемы.
Микропроцессор представляет собой большую совокупность простых транзисторов, которая называется интегральной схемой, потому что они функционируют как много отдельных транзисторов и других устройств, интегрированных и реализованных на одной маленькой кремниевой пластине. Конструкция этих элементов выросла за пределы просто кристалла. Микропроцессор -- это только одно устройство из большого семейства интегральных схем, с помощью которых теперь реализуют огромное множество всевозможных приборов, начиная от аудио и до часов в зоопарке. В микропроцессоре тысячи транзисторов соединены таким образом на кремниевой пластине, что одно и то же множество входных сигналов всегда порождает только конкретное множество выходных сигналов. Микропроцессоры отличаются от других интегральных схем, созданных на том же множестве транзисторов, тем, что преобразование сигнала происходит в соответствии с поступившим входным сигналом только внутри самой микросхемы.
Внутренности микропроцессора.
Большинство микропроцессоров имеют специально встроенные области памяти, названные регистрами, в которых они осуществляют все свои манипуляции и расчеты. Например для того, чтобы сложить два
числа, первое помещается сначала в регистр, затем другое прибавляется и сумма остается внутри регистра. Сигналы, путешествующие по микропроцессору, представляют собой серию цифровых импульсов. Их перемещение происходит почти одновременно - параллельно по нескольким проводникам. Каждая серия таких импульсов представляет собой отдельную команду, реализующую определенную функцию микропроцессора. Каждая команда имеет для идентификации имя. Полный набор реализуемых функций и их имена называются множеством микрокоманд процессора. Внутренняя структура кремния микропроцессора определяет, что он делает по каждому входному сигналу. В результате компьютерная программа для микропроцессора встраивается в его техническое обеспечение. Эта программа называется микрокодом микропроцессора.
Соединение микропроцессоров.
Помимо работы с внутренней памятью и манипуляцией цифровыми битами микропроцессоры также должны каким-то образом получать входную информацию и выдавать полученные результаты. Для реализации этой связи с внешним миром разработана микропроцессорная шина данных. Кроме того, микропроцессору необходимо каким-то образом определять, где хранятся данные во внешней памяти. Для этой цели используется другая шина, названная адресной. Микропроцессоры отличаются по находящимся в их распоряжении ресурсами, что в свою очередь влияет на скорость их работы. Микропроцессоры могут отличаться не только числом регистров, но и размерами самих регистров. Регистры характеризуются числом битов, с которыми он может работать в единицу времени. Например, 16-битному микропроцессору необходим один или более регистров размерностью в 16 бит.
Ширина шины.
Число бит в шине данных микропроцессора прямо влияет на скорость обработки информации. Чем больше битов может обрабатывать микросхема, за раз, тем быстрее она работает. Микропроцессоры с 8-,16-,32-битными данными используются различными модификациями компьютеров IВМ. Число бит, доступных по адресной шине, влияет на объем адресуемой памяти.
Четырехбитный микропроцессор.
Первый микропроцессор был изготовлен в 1971 году фирмой Intel. Это был 4-битный микропроцессор 4004. Эти 4 бита позволяли кодировать все цифры и символы, что было достаточно для математических расчетов. Микропроцессор мог складывать, вычитать и умножать числа. 4004 микропроцессор был разработан Тедом Хоффом из Intel. Японцы заказали изготовить 12 типов микросхем для использования их в калькуляторах различных моделей. Малый объем каждой партии микросхем увеличивал стоимость их разработки. Но Хоффу удалось создать такой чип, который мог использоваться на всех калькуляторах. Микросхема была хорошей базой для разработки программируемых устройств того времени.
Восьмибитные микропроцессоры .
Компьютер должен работать не только с цифрами, но и с буквами. Микропроцессор 4004 не обладал такими способностями. Изготавливая микропроцессор для более широких целей, необходимо было увеличить размер его регистров. Это позволило бы ему понимать буквы и цифры. Использование 6 бит позволяет различить все буквы и цифры, но остается мало значений для кодировки знаков пунктуации.
В результате в 1972 году появился восьмибитный микропроцессор Intel 8008. Размер его регистров соответствовал стандартной единице цифровой информации - байту. Процессор 8008 являлся простым развитием 4004. Он работал на чистоте 1 МHz и имел ограничение по оперативной памяти - 64 Kb.
В 1974 году был создан гораздо более интересный микропроцессор 8080. С самого начала он закладывался как 8-битный чип. У него было более широкое множество микрокоманд, кроме того это был первый микропроцессор, который мог делить числа.
Несколько инженеров фирмы имели идеи по усовершенствованию 8080. Они покинули Intel, чтобы реализовать их. Ими была организована Zilog Corporation, благодаря которой появился микропроцессор Z80. Он являлся дальнейшей разработкой микропроцессора 8080. Было просто увеличено число команд, что позволяло создать и использовать на персональных компьютерах стандартные операционные системы.
Разработанная Digital Research операционная система, представляющая собой специальную программу, связывающую микропроцессор и остальные устройства технического обеспечения (например, оперативная память), была названа Control Program for Microcomputers (CP/М). Ее прародителями являлись операционные системы больших ЭВМ, но размеры ее были гораздо скромнее, что давало возможность работать на микропроцессоре. Далека совершенства, она работала довольно надежно, что позволило ей стать своего рода стандартом для профессиональных пользователей малых компьютеров. Она помогла программистам, работавших ранее на больших ЭВМ, адаптироваться к персональным компьютерам. Хотя СР/М предназначалась для 8080, Z80 раскрывал большие возможности для системных работ.
Тем временем Intel продолжал работы над 8-битным 8008. Выл разработан микропроцессор 8085, который работал от 5B и требовал меньше вспомогательных микросхем. Новшества разработки включали вектор прерываний и серию портов ввода-вывода.
Семейство 8086.
16 бит.
В 1976 году фирма Intel начала усиленно работать над микропроцессором 8086. Размер его регистров был увеличен в два раза, что давало возможность увеличить произвольность в 10 раз по сравнению с 8080. Кроме того, размер информационных шин был увеличен до 16 бит, что давало возможность увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два раза. Размер его адресной шины был также существенно увеличен до 20 бит. Это позволило 8086-му прямо контролировать 1 млн. байт - 1 Mb оперативной памяти!
Как прямой потомок 8080 и двоюродный брат Z80, 8086 унаследовал большую часть множества их микрокоманд. Как 8080 понимал команды 8008, микропроцессор 8086 понимал микрокод 8080. Регистры нового микропроцессора были разработаны таким образом, что они могли обрабатывать как 16-битные значения, так и 8-битные - точно так же, как это делал 8080.
Сегментация памяти.
Память 8086 была также доработана специальным образом. Весь мегабайт оперативной памяти не представлялся единым полем, а был разделен на 16 сегментов, каждый величиной в 64К. Таким образом, память 8086 можно было представить как объединенную вместе память нескольких 8080. 8086 работал с каждым сегментом по отдельности, не позволяя большим информационным структурам переходить через границы сегментов. (Во всяком случае это было сделать совсем непросто) . В некотором смысле Intel 8086 опередил свое время. Малые компьютеры основывались на 8-битной архитектуре, память была очень дорога (поэтому 1Мгб памяти казался непозволительной роскошью), требовались дополнительные 16-битные микросхемы. Использование этого микропроцессора предполагалось в 16-битных устройствах, которые не оправдывали свою цену в то время.
8088 - шаг назад.
Через год после презентации 8086, Intel объявил о разработке микропроцессора 8088, который являлся близнецом 8086: 16-битные регистры, 20 адресных линий, тот же набор микрокоманд - все то же, за исключением одного, - шина данных была уменьшена до 8 бит. Это позволяло полностью использовать широкораспространенные в то время 8-битные элементы технического обеспечения. Как шаг назад в истории разработки микропроцессоров, Intel 8088 мог потеряться в истории, как это было с Intel 8085, не реши IBM реализовать свой первый персональный компьютер на его базе. Выбор IBM объясним. Восьмибитная шина данных позволяла использовать имеющиеся на рынке широкораспространенные микросхемы. Шестнадцатибитная внутренняя структура давала важные преимущества по сравнению с имеющимися уже на рынке микропроцессорами. Как преемник 8080 микропроцессора, 8088 мог понимать незначительно доработанные программы, работающие с CP/М. По большому счету, все эти преимущества были временными, а в некотором случае и иллюзорными. Но 16-битный чип был к тому же еще и недорогим. Последнее явилось более важным аргументом, чем 16-битные регистры и легко адаптированные программы CP/М.
Итак, Intel 8088 явился базой для разработки семейства малых компьютеров. Он подготовил почву для быстрого создания совместимых настольных компьютеров. Потенциально 8086 был в два раза производительнее и почти полностью совместимым с 8088. Поэтому производители, занятые в сфере продажи, были вовлечены в дополнительные усилия, связанные с разработками вокруг 8086. Точно так же поступила позже IBM, используя старый, но еще достаточно мощный 8086 для усиления своих первых PS/2. Микропроцессоры 8088 и 8086 были совместимыми, но не взаимозаменяемыми. Восемь
дополнительных бит в шине данных требовали восьми дополнительных проводов. Таким образом, подключение этих двух микросхем было различным. Компьютер разрабатывался либо под один микропроцессор, либо под другой.
Новые микросхемы.
По мере того, как появлялись микропроцессоры, состоящие из многих тысяч дискретных логических компонент, реализованных на крошечном кусочке кремния, стала возможной реализация дополнительных функций в рамках одной микросхемы. При разработке компьютера, помимо микропроцессора, используются и другие дополнительные устройства: контроллеры прерываний, таймеры и контроллеры шин. Функции всех этих устройств технически можно реализовать в одном корпусе с микропроцессором. Однако эти возможности никогда не реализуются на практике. Микропроцессор, как и все дополнительные устройства, может использоваться в других устройствах, а не только в компьютерах.
По мере развития компьютерной индустрии, рынком была проведена оптимизация разделения функций между устройствами. И каждое устройство развивалось в направлении наилучшей реализации своих функций. Intel продолжал совершенствовать свои микропроцессоры. В 1982 году был представлен микропроцессор 80186. Этот чип стал базовым для создания целого ряда совместимых компьютеров и реализации турборежима. Так же был создан - микропроцессор 80188 - преемник 8088. (Точно так же, как 80186 является развитием 8086).
Вторая генерация 80286.
Презентация IBM персонального компьютера АТ в 1984 году сфокусировала все внимание на другой микропроцессор - Intel 80286. Сам по себе микропроцессор был представлен еще в 1982 году. Предшественником этого чипа был 8086. И, естественно, у этих братьев много общего, но 80286 обладает такими дополнительными качествами, которые сразу привлекли пристальное внимание всех связанных с компьютерной индустрией. Новый микропроцессор использует полную 16-разрядную шину данных и 16-битные внутренние регистры. Он был разработан для работы счастотой сначала в 6 Мгц, а затем - в 8 и 10 Мгц. Потом появились модели, работающие с 12,5; 16 и даже 20 Мгц. Более того, Intel 80286 способен реализовывать свои функции быстрее, чем это следует из простого роста используемой частоты. Например, хотя первые АТ имели прирост в частоте только 25%, они были в 5 раз производительнее.
16 Мегабайт.
В конечном счете самым большим преимуществом Intel 80286 была способность работать с дополнительной памятью. Вместо 20-разрядной адресной шины 8088/8086 80286 имел 24- разрядную шину. Эти дополнительные четыре разряда давали возможность увеличить максимум оперативной адресуемой памяти до 16 Мгб.
Виртуальная память.
Intel 80286 позволил также использовать виртуальную память. Название говорит само за себя, что виртуальная память организуется не на каких-то отдельных физических чипах. Более того, информация хранится где-то во внешней памяти, но система обеспечивает к ней прямой доступ. 80286 снабжен специальными средствами, которые дают ему возможность отличать, к реальной или виртуальной памяти относится любой байт. Эти средства реализуются дополнительными схемами, включенными в микропроцессор. Они дают возможность работать с 1 Ггб памяти, включающую в себя 16 Mb физической памяти и 1008 Mb виртуальной.
Теоретически 80286 должен был преодолеть барьер адресуемой памяти в 1 Mb, который был установлен предшествующими моделями. Но в действительности на практике эта возможность не была реализована. Проблема была частично в традициях, а частично в совместимости. Ко времени появления 80286 IBM РС имела гарантированный успех. Для 8088 и 8086 было разработано огромное программное обеспечение. Отказ от использования этих разработанных программ ставил под сомнение широкое использование нового чипа.
Реальный режим.
Для обеспечения совместимости с ранее разработанными чипами разработчики Intel 80286 обеспечили его работу в двух режимах: в реальном и защищенном режимах. Реальный режим был скопирован с. режима работы 8086. Причем разработчики работали так добросовестно, что внесли в реальный режим и ограничения по использованию только 1 Mb памяти. В этом режиме 80286-му пришлось ограничить свои способности 1 Mb адресуемой памяти.
Режим с защитой.
Чтобы использовать улучшенные возможности Intel, 80286, фирма разработала защищенный режим. Хотя отсутствовала программная совместимость с 8086, этот режим позволял использовать все 16 Mb и даже 1 Ггб виртуальной памяти в программах, работающих в защищенном режиме. Точно так же, как и 8086 в свое время, Intel 80286 давал такие огромные ресурсы памяти, потребность в которых еще не назрела к тому времени. Поэтому этот режим не сразу был признан широким кругом пользователей. Потребовалось почти три года, прошедших между презентацией первой АТ и появлением операционной системы OS/2, работающей в этом режиме, и ознаменовавшей собой начало его широкого применения.
Обратная сторона 80286.
Имелись две причины для медленной популяризации защищенного режима. Для программистов, работающих в DOS, существенным являлся вопрос перехода между реальным и защищенным режимами, Intel разработал переход между режимами только в одном направлении. Микропроцессор начинал работу только в реальном режиме, когда происходило тестирование всех 16 Mr6 памяти, но для использования всего этого ресурса необходимо, было перейти в защищенный режим. Иначе пользователь мог довольствоваться только 1 Мb памяти. Обратного перехода от защищенного режима к реальному не существует - требуется перезагрузка. Кроме того, защищенный режим реализовывал только частично надежды программистов. Вся огромная память 80286 была разделена на сегменты по 64 К. Вместо того, чтобы свободно использовать весь ресурс памяти, программистам приходилось мудрствовать, чтобы преодолеть эти барьеры между сегментами.
80386.
Не в пример 80286, который был, по-видимому, предназначен удивить мир без DOS, следующее детище Intel - микропроцессор 80386 развязал руки к использованию DOS и шестнадцатимиллиардному программному обеспечению, разработанному на нем. Intel 80386 был создан в 1985 году. Его создатели учли тяжелые уроки 80286 и мечты программистов. У него была выше тактовая частота, большая производительность. И в целом он был более универсален, чем все его предшественники. Он имел черты 8088, 8086 и 80286, опережая всех их по своим характеристикам. После появления Intel 80386 чип 80286 смотрелся как тупиковая ветвь - но слишком поздно. Дело в том, что некоторые потребители Intel начали дорабатывать недостатки Intel 80286 даже раньше, чем Intel 8086, так как в разработке идеи 80286 использовалась база 8080, хотя, может быть, чуть амбициозно. 8086 появился в результате переосмысления целей разработки. Только позже оригинальные идеи были воплощены в 80286.
Напротив, Intel 80386 был создан при полной ясности всех требований, предъявляемых к микропроцессорам и компьютерам. Intel 80386 имел все положительные качества своих предшественников. Все микрокоды (последовательность бит, воспринимаемых как команду по реализации какой-либо функции) его предшественника Intel 80286 входили в множество микрокоманд 80386. Поэтому старое программное обеспечение могло использоваться с Intel 80386. Но вместе с тем, Intel 80386 был снабжен дополнительными качествами. Особенно привлекала возможность работать без ограничений, связанных с сегментацией памяти.
32-битные мощности.
Первое и наиболее существенное. Intel 80386 был мощнее своих предшественников. Размеры его регистров шины данных были удвоены до 32 бит. Информация передавалась и обрабатывалась в два раза быстрее, чем у 16-битного 80286 микропроцессора.
Увеличение тактовой частоты.
С самого начала разработчики Intel 80386 поставили перед собой цель создать быстрый чип. При его создании использовалась CHMOS- технология. Первые 80386 чипы начали работать с наивысшей частотой, достигнутой 80286 - 12,5 Мгц и 16 Мгц. Затем появилась двадцатимегагерцевая модель. В 1988 году предел был отодвинут до 25 Мгц, а вскоре и до 32 Мгц.
Улучшение архитектуры памяти.
С увеличением шины данных у Intel 80386 до 32 бит число адресных линий было также увеличено до 32 бит. Само по себе это расширение позволило микропроцессору обращаться прямо к 4 Ггб физической памяти. Кроме того, он мог работать с 16-ю триллионами байт виртуальной памяти. Микропроцессор имел все необходимые цепи для работы с этой огромной памятью. Огромное преимущество давал 80386 способ организации его памяти. К ней можно было обращаться, как к одному большому полю, доступному для программ. То есть структуры данных и программы могли быть объемом в целую память. Разделение памяти на сегменты возможно, но не обязательно, Сегменты, однако, произвольны и не ограничиваются по 64 К. Они могут быть виртуально произвольного размера, необходимого программисту или программе (Но не более 4 Ггб, что не являлось тогда существенным ограничением) .
Кроме того, 80386 снабжен 16 байтами сверхоперативной кеш-памяти. Это специально встроенное поле памяти используется для хранения нескольких следующих команд микропроцессора. Независимо от производимых микропроцессором расчетов, специальная схема загружает код программного обеспечения в эту память, прежде чем в этом коде появится необходимость. Эта небольшая кеш-память помогает чипу работать более проворно без задержек, связанных с ожиданием загрузки очередной команды из оперативной памяти.
Многорежимность.
Для того, чтобы обеспечить совместимость с предыдущими микропроцессорами и с orромной библиотекой DOS-программ Intel 80386 был разработан таким образом, чтобы быть, как можно больше похожим на 8086 и 80286. Как и его предшественники, Intel 80386 позволял работать в защищенном режиме с ограничением по адресуемой пямяти в 1 Мb. В этом режиме он загружал и выполнял все программы, разработанные на микропроцессоре предшествующих поколений. С реального режима Intel 80386 мог быть переведен в защищенный режим, где он функционировал подобно 80286, за исключением объема памяти. В этом режиме в распоряжении программиста было больше памяти, и он мог более гибко манипулировать ею, потому что мог изменять размеры сегмента. В противоположность Intel 80286 - 80386 мог переходить из одного режима в другой без перезагрузки машины, а посредством команд программного обеспечения.
В сопровождении DOS.
Новый режим, названный виртуальным режимом 8086 (Virtual 8086 mode), давал Intel 80386 особенно большие свободы по использованию DOS. В этом режиме этот процессор работал не как один 8086, а как неограниченное их количество в одно и то же время. Этот режим позволял процессору разбивать память на множество виртуальных машин, каждая из которых работала так, как будто она была отдельным компьютером на 8086 чипе. Каждая из этих виртуальных машин могла запускать свою собственную программу, которая была полностью изолирована от всех остальных. Это означало, что можно одновременно выполнять несколько DOS-программ на одном компьютере. Вне экзотической архитектуры Intel 80386 такая система была очень сложной и капризной, кроме того, требовалось, чтобы программное обеспечение таких систем было специально написано по определенным стандартам, удовлетворяющим требованиям многозадачного режима. Intel 80386 делал реализацию программного обеспечения многозадачного режима почти тривиальной, потому что вся самая тяжелая работа выполнялась на уровне технического обеспечения. Готовые DOS-программы выполнялись на Intel 80386 в многозадачной среде без всяких доработок.
Первоначальный грех.
Intel 80386 имел наиболее болезненную историю своего внедрения по сравнению с другими микропроцессорами. Вскоре после его создания были обнаружены ошибки, связанные с его работой при выполнении 32-битных математических операций. Эта проблема не была выявлена в первых PC-совместимых компьютерах, реализованных на этом чипе, потому что DOS использует только 16-битные операции. Ошибки всплыли наверх только после того, когда 80386 стал работать в 32-битных режимах.
Ошибки были быстро обнаружены и исправлены.