Registre mikroprocesora

UnReSt nám odoslal(a) nasledujúci článok:
"Mikroprocesor (skrátene ľP či uP) je procesor elektronického počítača vyrobený z miniaturizovaných tranzistorov a iných obvodových prvkov na jedinom polovodičovom integrovanom obvode (tiež známy ako mikročip alebo iba čip).

Hlavné druhy mikroprocesorov sú dnes:

* CPU (Central Processing Unit - procesor základnej jednotky počítača) - hlavný (mikro)procesor počítača (v minulosti však CPU nemala vždy podobu mikroprocesora)
* GPU (grafický procesor)  hlavný mikroprocesor grafickej karty

Pred vynájdením mikroprocesorov boli elektronické CPU vyrobené z oddelených TTL integrovaných obvodov; predtým z jednotlivých tranzistorov; a ešte skôr založené na elektrónkach. Existovali návrhy jednoduchých počítacích strojov založených na mechanických súčiastkach ako ozubené kolesá, hriadele, páky, en:Tinkertoys atď. Leonardo Da Vinci navrhol jeden z nich, hoci ho nebolo možné zostaviť výrobnými postupmi jeho doby.
Je známe, že evolúcia mikroprocesorov doteraz sledovala Moorov zákon týkajúci sa stáleho zvyšovania výkonu v čase. Tento zákon hovorí, že sa ‑komplexnosť integrovaného obvodu s ohľadom na minimálnu cenu komponentu zdvojnásobí každých približne 18 mesiacov, čo sa vo všeobecnosti aj prekvapivo dialo od skorých 70. rokov. Od biednych začiatkov ako mozog kalkulačiek viedol zvyšujúci sa výkon k dominancii mikroprocesorov v každej inej forme počítača; každý systém od najväčšieho mainframe(sálový počítač) po najmenší handheld dnes v jadre používa mikroprocesor.

Prvé čipy

Ako s mnohými techologickými pokrokmi, mikroprocesor bol nápad, ktorého čas nadišiel. Je možné povedať, že tri projekty splodili kompletný mikroprocesor v približne rovnakom čase -- Intel 4004, Texas Instruments TMS 1000 a Garrett AiResearch Central Air Data Computer.

V roku 1968 bolo spoločnosti Garrett ponúknuté, aby vyprodukovala počítač schopný súperiť s elektromechanickými systémami vtedy vo vývoji pre hlavný počítač letovej kontroly novej stíhačky F-14 Tomcat Námorníctva USA. Návrh bol hotový do roku 1970 a ako jadro používal čipovú sadu založenú na MOS. Návrh bol menší a oveľa spoľahlivejší ako mechanické systémy s ktorými súperil a bol použitý vo všetkých raných modeloch Tomcat. Systém však považovalo Námorníctvo za taký vyspelý, že zamietli žiadosť o zverejnenie návrhu a v tom pokračovali až do roku 1997. Z toho dôvodu je CADC a čipset MP944, ktorý používal, pomerne neznáme ešte aj dnes.

Texas Instruments vyvinuli 4-bitový TMS 1000 a testovali hranice predprogramovaných vložených aplikácií, predstavili verziu zvanú TMS1802NC 17. septembra 1971, ktorá implementovala kalkulačku na čipe. Čip Intelu bol 4-bitový 4004 uvoľnený 15. novembra 1971, ktorý vyvinul Federico Faggin.

TI sa uchádzali o patent na mikroprocesor. Gary Boone dostal patent Patent v USA 3,757,306 za architektúru mikroprocesora na jedinom čipe 4. septembra 1973. Nebude možné nikdy zistiť, ktorá spoločnosť mala v skutočnosti prvý v laboratóriu pracujúci mikroprocesor. V rokoch 1971 aj 1976 sa Intel a TI dali na podpisovanie veľkých vzájomných licenčných patentových dohôd, kedy Intel platil TI za patent na mikroprocesor. Pekná história týchto udalostí je obsiahnutá v súdnej dokumentácii z právneho sporu medzi Cyrixom a Intelom s TI ako intervenor a a vlastníkom patentu na mikroprocesor.

Zaujímavé je, že tretia strana tvrdí, že jej bol udelený patent, ktorý môže pokrývať ‑mikroprocesor. Pozri webstránku o vynálezcovi pred TI aj Intelom, ktorý opisuje ‑mikrokontrolér, ktorý môže alebo nemusí byť povaovaný za ‑mikroprocesor.

Počítač na čipe je variáciou mikroprocesora, ktorá kombinuje jadro mikroprocesora (CPU), nejakú pamäť a V/V (vstupno/výstuné) linky, všetko na jednom čipe. Patent na počítač na čipe, zvaný patent na mikropočítač tej doby, Patent v USA 4,074,351, bol udelený Garymu Booneovi a Michaelovi J. Cochranovi z TI. Mimo tohto patentu je správny význam mikropočítača pačítač používajúci (niekoľko) mikroprocesor(ov) ako svoju CPU, kým koncept patentu do istej miery pripomína mikrokontrolér.

Podľa A History of Modern Computing, (MIT Press), pp. 220-21, Intel uzavrel zmluvu s Computer Terminals Corporation, neskôr zvanou Datapoint, zo San Antonio, Texas, na čip pre terminál, ktorý navrhovali. Datapoint sa neskôr rozhodl čip nepoužiť a Intel jo predával ako 8008 v apríli 1972. Toto bol prvý 8-bitový mikroprocesor na svete. Bol základom slávnej počítačovej sady ‑Mark-8 reklamovaného v časopise Radio-Electronics v roku 1974. 8008 a jeho nasledovník 8080, otvorili trh s mikroprocesororovými komponentami.

Významné 8-bitové návrhy

Po 4004 neskôr nasledoval 8008, slávny prvý 8-bitový mikroprocesor. Tieto procesory sú predchodcami trhovo úspešného Intel 8080, Zilog Z80 a odvodených 8-bitových procesorov Intel 8-bit. Konkurenčná architektúra Motorola 6800 bola klonovaná a zlepšená firmou MOS Technology pod názvom 6502, čím súperila s popularitou Z80 v osemdesiatych rokoch.

Z80 aj 6502 sa sústredili na nízku celkovú cenu, dosiahnutú vďaka kombinácii malého púzdra, jednoduchými požiadavkami na zbernicu a zahrnutie obvodov, ktoré by bežne boli poskytované ako oddelený čip (napr. Z80 obsahoval pamäťový kontroler). Boli to práve tieto vlastnosti, ktoré umožnili štart ‑revolúcie domácich počítačov v skorých osemdesiatych rokoch, ktorá nakoniec produkovala poloužitočné stroje za 99 USD.

Motorola triumfovala v celom 8-bitovom svete predstavením MC6809, podľa niektorých najsilnejšieho ortogonálnehol a čisto 8-bitového mikroprocesorového návrhu; a tiež najkomplexnejšou napevne zadrôtovanou logikou, ktoré sa kedy dostali do výroby pre mikroprocesor. Mikrokódovanie nahradilo napevno zadrôtovanú logiku približne v tejto dobe vo všetkých návrhoch silnejších ako MC6809 -- práve preto, že požiadavky na návrh sa stali pre pevné drôtovanie príliš komplexné. Iný zo skorých 8-bitových mikroprocesorov bol Signetics 2650, ktorý sa tešil krátkemu návalu záujmu vďaka inovatívnej a mocnej architektúre inštrukčnej sady.

Východzí návrh mikroprocesora v svete vesmírneho letu bol RCA 1802 od en:Radio Corporation of America (tiež známy ako CDP1802, RCA COSMAC) ktorý NASA použila v programe vesmírnych sond Voyager a Viking v sedemdesiatych rokoch a na palube sondy Galileo na Jupiter (1989-1995). CDP1802 bol použitý preto, že fungoval pri veľmi nízkej spotrebe * a pretože jeho výrobný proces (kremík na zafíre) zaisťoval oveľa lepšiu ochranu proti kozmickému žiareniu a elektrostatickým výbojom ako ktorýkoľvek iný processor tej doby; preto sa o 1802 hovorí ako o prvom procesore so zvýšenou odolnosťou voči radiácii.

16-bitov

Prvý 16-bitový mikroprocesor na viacerých čipoch bol IMP-16 od National Semiconductor, predstavený v roku 1973. 8-bitová verzia čipovej sady bola predstavená v roku 1974 ako IMP-8. V roku 1975 National Semiconductor predstavil prvý 16-bitový microprocesor na jedinom čipe, PACE, ktorý neskôr nasledovala NMOS verzia, en:INS8900.

Medzi iné 16-bitové mikroprocesory na viacerých čipoch patria Digital Equipment Corporation (DEC) LSI-11 OEM sada a balený minipočítač PDP 11/03 a en:Fairchild Semiconductor en:MicroFlame 9440, ktoré boli oba predstavené v priebehu rokov 1975 až 1976.

Prvý 16-bitový mikroprocesor na jedinom čipe bol TMS 9900 od TI, ktorý bol kompatibilný s ich radom minipočítačov TI 990. 9900 bol použitý v minipočítači TI 990/4, domácom počítači en:TI-99/4A and rade OEM mikropočítačových dosiek. Čip bol balený vo veľkom 64-pinovom DIP puzdre, kým väčšina 8-bitových mikroprocesorov ako Intel 8080 používali bežnejšie, menšie a lacnejšie 40-pinové plastické DIP. Nasledujúci čip, TMS 9980, bol navrhnutý, aby konkuroval Intel 8080, mal plnú 16-bitovú inštrukčnú sadu TI 990, používal plastové 40-pinové puzdro, presúval dáta po 8 bitov naraz, ale bol schopný adresovať iba 16 KB. Tretí čip, TMS 9995, bol nový návrh. Rodina sa neskôr rozrástla o 99105 a 99110.

Intel šiel odlišnou cestou, keďže nemal minipočítače, ktoré by mal emulovať, namiesto toho ‑rozšíril svoj návrh 8080 na 16-bitový Intel 8086, prvého člena x86 rodiny, ktorá je srdcom väčšiny moderných PC. Intel predstavil 8086 ako nákladovo efektívny spôsob portovania softvéru z radov 8080 a na tomto základe získal mnohé zakázky. Po 8086 a 8088 Intel uvoľnil 80186, 80286 a v roku 1985 32-bitový 80386, čím upevnil svoju dominanciu na PC trhu spätnou kompatibilitou tejto rodiny.

Memory management unit (MMU, jednotka správy pamäte) integrovaného mikroprocesora vyvinul Childs et al. z Intelu a bol mu udelený patent USA č. 4,442,484.

32-bitové návrhy

16-bitové návrhy boli na trhu iba krátko, keď sa začali objavovať plne 32-bitové implementácie.

Prvým 32-bitovým mikroprocesorom na jednom čipe bol AT&T Bell Labs BELLMAC-32A s prototypmi v roku 1980 a produkciou v roku 1982 (Pozri bibliografiu na tejto webstránke a všeobecné informácie na tejto webstránke). Po rozdelení AT&T v roku 1984 bol premenovaný na WE 32000 (WE ako en:Western Electric) a mal dve následné generácie, WE 32100 a WE 32200. Tieto mikroprocesory boli použité v minipočítačoch AT&T 3B5 a 3B15; v 3B2, prvom stolnom supermikropočítači na svete; v ‑Companion (sprievodca), prvom 32-bitovom laptope na svete; a v počítači ‑Alexander, prvom supermikropočítači s veľkosťou knihy na svete. Používali sa pri nich pamäťové zásobníky ROM podobné tým v dnešným herným konzolám. Na všetkých tychto systémoch bežal pôvodný operačný systém Bell Labs UNIX, ktorý mal prvý GUI balík typu Windows zvaný xt-layers.

Najslávnejším z 32-bitových návrhov je MC68000 predstavená v roku 1979. 68K, pod akým názvom ju tiež poznáme, mala 32-bitové registre, ale používala 16-bitové interné dátové cesty a 16-bitovú externú dátovú zbernicu, aby sa redukoval počet pinov. Motorola ho vo všeobecnosti opisovala ako 16-bitový processor, hoci má jasne 32-bitovú architektúru. Kombinácia vysokej rýchlosti, veľkého (16 MB) pamäťového priestoru a pomerne nízkej ceny ju urobila najpopulárnejším návrhom CPU svojej triedy. Apple Lisa a Macintosh používali 68000, podobne ako aj iné návrhy v polovici 80-tych rokov vrátane Atari ST a Commodore Amiga.

Prvý 32-bitový mikroprocesor Intelu bol iAPX 432 predstavený v roku 1981, ktorý však nezaznamenal komerčný úspech. Mal pokročilú capability-based objektovo orientovanú architektúru, ale slabý výkon v porovnaní s konkurenčnými architektúrami ako Motorola 68000.

Úspech Motoroly 68000 viedol k MC68010, ktorá pridala podporu virtuálnej pamäte.MC68020 predstavená v roku 1985 pridávala plnú 32-bitovú šírku pre dátovú a adresnú zbernicu. 68020 bola neuveriteľne populárna na trhu Unixových supermikropočítačov a mnohé malé spoločnosti (napr. Altos, Charles River Data Systems) produkovali systémy v stolnej veľkosti. Po tom nasledovala MC68030, ktorá pridávala MMU na čip, a rodina 68K sa stala tým pravým procesorom pre všetko, na čom nebežal DOS. Tieto úspechy viedli k MC68040, ktorá mala FPU na dosiahnutie lepšieho výkonu pri matematických operáciách. 68050 nedosiahla očakávané výkonnostné výsledky a nebola uvoľnená a nasledujúca MC68060 bola uvoľnená na trh presýtený omnoho rýchlejšími RISC návrhmi. Rodina 68K sa vytratila zo stolných počítačov na začiatku 90. rokov, dodnes sa však v upravených verziách (hlavne kvôli orientácii na nízku spotrebu) používajú v programovateľných kalkulátoroch Texas Instruments radov TI-89 a TI-92.

Iné veľké spoločnosti navrhli 68020 a nasledovníkov pre embedded zariadenia. V roku 1997 bolo vyrobených viac 68020-tiek pre embedded zariadenia ako procesorov Intel Pentium pre PC [1]. Procesorové jadrá ColdFire sú odvodené od úctyhodnej 68020.

V tejto dobe (začiatok až stred 80-tych rokov), National Semiconductor predstavil veľmi podobný externe 16-bitový, interne 32-bitový mikroprocesor zvaný NS 16032 (neskôr premenovaný na 32016), plne 32-bitovú verziu zvanú NS 32032 a rad 32-bitových priemyselných OEM mikropočítačov. V strede 80-tych rokov Sequent predstavil prvý SMPpočítač serverovej triedy používajúci NS 32032. Toto bola jedna z mála výhier tohto návrhu a vytratil sa na konci 80-tych rokov. Medzi iné návrhy patril zaujímavý Zilog Z8000, ktorý na trh prišiel príliš neskoro, aby sa ujal, a tak sa rýchlo vytratil.

Na konci 80-tych rokov začali ‑vojny mikroprocesorov vyraďovať niektoré procesory z hry. So zjavne jedinou výhrou v návrhu -- Sequent -- sa NS 32032 postupne vytratil a Sequent prešiel na mikroprocesory Intel.

64-bitové mikročipy na stole

Hoci high end RISCové návrhy (pozri nižšie) predstavovali prvú úrodu 64-bitových procesorov dlho pred dnešnými mikročipmy pre mainstream PC od IBM, AMD a Intelu, 64-bitov sa začalo prenikať do stolných počítačov iba v roku 2003 s oficiálnym uvedením procerorov AMD Opteron v apríli, AMD Athlon 64 v septembri, PowerPC G5 v júni a Intel Xeon v roku 2004.

64-bitová éra začala po uvedení prvého 64-bitového čipu spätne kompatbilného s IA-32 -- Athlon 64 v septembri 2003, po čom nasledovali čipy samotného Intelu. Oba procesory sú schopné spúšťať 32-bitové aplikácie ako aj nový 64-bitový software. S príchodom Linuxu bežiaceho na 64 bitoch a 64-bitových Windows XP a je aj software pripravený využiť silu takýchto procesorov.

V skutočnosti znamená prechod na 64 bitov viac ako iba nárast veľkosti registra oproti IA-31, keďže k nemu tiež patrí malý nárast v počte registrov starnúcich CISC návrhov.

Prechod na PowerPC procesorov 64 bitov bol zamýšľaný už pri návrhu procesorov v skorých 90-tych rokoch a tak nebol väčšou príčinou nekompatibilít. Existujúce celočíselné registre sú rozšírené rovnako ako všetky dátové cesty, ktorých sa to týka, ale rovnako ako pr návrhoch IA-31, jednotky pre operácie s plávajúcou čiarkou a vektorové operácie pracujú na alebo nad 64 bitov už niekoľko rokov. Na rozdielod IA-32 neboli pridané žiadne nové všeobecné registre, takže nepoužitie 64-bitového režimu, kde sa dá, nezíska takmer žiadny výkon.

RISC

Od polovice 80-tych do skorých 90-tych rokov sa objavili nové vysoko výkonné RISC (reduced instruction set computer; počítač s redukovanou inštrukčnou sadou) mikroprocesory, ktoré boli spočiatku používané v strojoch na špeciálne účely a Unixových pracovných staniciach, ale odvtedy sa začali používať takmer na akékoľvek účely okrem štandardných Intelových stolných počítačov.

Prvý komerčný návrh vznikol v en:MIPS Technology, 32-bitová R2000 (R1000 nebol uvoľnený). R3000 skutočne dokázala výhody návrhu využiť a R4000 bol prvým 64-bitovým návrhom na svete. Súperenie projektov vyústilo do systémov IBM POWER a Sun SPARC. Čoskoro nato už každý z veľkých výrobcov vydával RISC návrhy, vrátane en:AT&T CRISP, en:AMD 29000, en:Intel i860 a en:Intel i960, en:Motorola 88000, en:DEC Alpha a en:HP-PA.

Trhové sily mnohé z nich vyradili a POWER a odvodený PowerPC zostal ako hlavný stolový RISC procesor, a SPARC sa používa iba v návrhoch Sun. MIPS naďalej zásobuje niektoré systémy SGI, ale v prvom rade sa používa v embedded zariadeniach, z čoho môžeme spomenúť [[router|routre] Cisco. Zvyšok pôvodných návrhov sa buď stratil alebo sa to čoskoro stane. Iné spoločnosti ako ARM zaútočili na trhové výhody, z pôvodného úmyslu domácich počítačov sa odvtedy zamerali na trh procesorov embedded zariadení. Dnešné RISCové návrhy založené na MIPS, ARM a PowerPC jadrách sú srdcom prevažnej väčšiny výpočtových zariadení.

Samozrejme v IBM-kompatiblnom PC svete Intel, AMD, a teraz aj VIA všetci vyrábajú x86-kompatibilné mikroprocesory. Najpopulárnejšími 64-bitovými návrhmi na konci roku 2004 sú DEC(-Intel) ALPHA, AMD 64, a HP-Intel Itanium.

Trhová štatistika

V roku 2003 boli vyrobené a predané mikroprocesory v hodnote okolo 44 miliárd USD [2]. Hoci asi polovica týchto peňazí bola minutá na CPU použité v stolových alebo laptop osobných počítačoch, tie predstavujú iba asi 0,2% všetkých predaných CPU.

Okolo 55% všetkých CPU predaných vo svete sú 8-bitové mikrokontroléry. Cez 2 miliardy 8-bitových mikrokontrolérov sa predalo v roku 1997.

Menej ako 10% všetkých CPU predaných vo svete sú 32 alebo viac bitové. Zo všetkých predaných 32-bitových CPU sa okolo 2% používajú v stolných alebo laptop PC. ‑Celkovo, priemerná cena za mikroprocesor, mikrokontrolér alebo DSP je len niečo cez 6 USD.