Microprocesoare

Stiinta calculatoarelor se caracterizeaza printr-o deosebita dinamicitate. Desi foarte scurta, de aproximativ 60 de ani, istoria stiintei calculatoarelor este deosebit de bogata si concentrata. Calculatoarele au evoluat pe mai multe directii: performante, dimensiuni, consum si cost. Primele calculatoare, de uz general, lucrau la frecvente de tact de zeci de KHz, gestionau o memorie interna de zeci de octeti, ocupau o întreaga încapere, consumul era la nivelul de zeci de KW iar pretul era la nivelul zecilor sau sutelor de mii de dolari. Calculatoarele de uz general de azi lucreaza la frecvente de tact de 1-3 GHz, gestioneaza o memorie interna de sute de Mo, consumul este de aproximativ 500 W (cu tot cu monitor) iar pretul este la nivelul sutelor de dolari. Aceste date, desi sumare si generale, arata gradientul urias al evolutiei calculatoarelor.

Arhitectura microcalculatoarelor de astazi este datorata în mare parte firmei Intel. Scopul initial al firmei Intel într-un moment în care memoria calculatoarelor era realizata pe toruri de ferita, a fost de a realiza o memorie pe un circuit integrat. Prin anul 1969, Intel producea primul circuit integrat RAM static, iar în 1970, RAM-ul dinamic care a facut ca memoriile cu ferite sa fie depasite. Anul 1971 a marcat doua evenimente deosebite pentru Intel: primul EPROM si primul microprocesor. Acesta este un microprocesor pe 4 biti 4004, si el a fost urmat în anul 1972 de cel pe 8 biti 8008. În 1974 microprocesorul 8080, oferind o performanta de 10 ori mai mare decât 8008, devine un standard industrial pe baza caruia s-a realizat primul calculator personal.

Inventarea microprocesorului în 1971 de catre Ted Hoff a avut o importanta mult mai mare decât s-a prevazut initial, el facând posibila aparitia microcalculatorului, un dispozitiv electronic folosit pentru prelucrarea informatiei cu ajutorul unor semnale electrice produse de circuite plasate pe o pastila de siliciu. Complexitatea microprocesorului a crescut de la câteva circuite pâna la circuitul integrat pe scara foarte larga (VLSI) de astazi, care aduna peste 100000 de circuite pe aceeasi pastila.

Microprocesorul este cea mai importanta componenta a sistemului. El prelucreaza aproape toate informatiile din interiorul unui microcalculator, citeste instructiuni si date din memorie, le prelucreaza le trimite catre iesire (periferice) sau le primeste dinspre periferice. Cunoscut si sub numele de unitate centrala microprocesorul este un circuit integrat numeric (digital) care prelucreaza informatia în mod secvential.

Toate microcalculatoarele de tip IBM si compatibile contin microprocesoare INTEL din familia 8086/8088, 80286, 80386/80386 SX, 80486. Microcalculatoarelor APPEL MacIntosh.

1.1. Evolutia microprocesoarelor INTEL în timp

Intel 4004 – primul microprocesor; a aparut în 1971, realizat în tehnologie PMOS, înglobeaza 2250 tranzitoare pe pastila de Si. Prelucrare pe 4 biti, frecventa de tact de 740 kHz, viteza 60000 operatii memorie adresabila 4 koct., set de 45 instructiuni orientate pe instructiuni aritmetice.

Intel 8008 – aparut în 1972, microprocesorul pe 8 biti, tehnologie PMOS grad de integrare 3300 tranzistoare pe pastila de Si; frecventa 800 kHz, viteza 30000 operatii/s, memorie adresabila 16 Kocteti, set de 48 instructiuni.

Intel 8080 – aparut în 1974, realizat în tehnologie NMOS, microprocesor pe 8 biti, cu grad de integrare 4500 de tranzistoare/capsula, capacitate de adresare 64 kocteti, frecventa de tact 2,083 MHz, 200000 operatii/sec, set de 72 instructiuni. De acest microprocesor este legata si aparitia primului calculator personal “comercial APPLE”.

În 1978, apare INTEL 8086 care a deschis seria microprocesorului pe 16 biti, înglobeaza cca 29000 de tranzistoare/capsula lucreaza cu o frecventa de 4 sau 8 MHz, executa 330000 operatii/sec.

Poate adresa fizic si virtual 1Mo cu o marime a segmentului de 64 Kocteti. În 1978 Intel lanseaza microprocesor 8088 identic cu microprocesorul 8086 sub aspectul arhitecturii interne, dar mai bine adaptat la mediul foarte raspândit de 8 biti, comunicând cu exteriorul pe 8 biti fiind un hibrid perfect între 8 si 16 biti.

În 1982 apare INTEL 80286, un microprocesor realizat într-o tehnologie superioara fata de predecesorul sau 8086. Însumeaza peste 135000 de tranzistori/capsula, lucrând la frecvente de 6,8,10,12 MHz sau 16 MHz, putând sa atinga pâna la 2,1 milioane de instructiuni/s. accesând un spatiu de memorie real de pâna la 16 Mo si un spatiu de memorie virtual de pâna la 1 Go. Pastrând compatibilitatea totala la nivel de cod obiect cu 8086, realizeaza performante de 2,5 ori mai bune decât 8086, chiar daca foloseste aceeasi frecventa de tact si nici una din instructiunile sale suplimentare. IBM a fost primul mare producator care a folosit acest microprocesor când a construit IBM-PC AT în 1984. Principalul performanta al lui 80286 este viteza sa. Pentru prima oara programe de proiectare automata (CAD), sau programe sofisticate de editare pot fi rulate independent de calculatoare mini sau medii, pe calculatoare personale.

Odata cu dezvoltarea software-ului s-a dovedit ca si microprocesorul 80286 îsi are limitele lui. Cea mai mare constrângere impusa software-ului este modul de programare segmentat al familiei INTEL.

În 1985 Intel a introdus microprocesorul 80386. Principala deosebire fata de predecesorii sai este arhitectura pe 32 biti atât interna cât si externa 80386 este produs utilizând tehnologia CMOS II, înregistrând mai mult de 275000 tranzistoare si un milion de componente electronice pe placuta de Si. Tehnica “pipe-line”, prelucrarea paralela si lucru la 16, 25, 33 MHz ridica performanta microprocesorului la 3-5 milioane de instructiuni/s (7 MUPS la 25 MHz). Foarte important este faptul ca toate modificarile structurale au fost implementate într-un set de instructiuni, pastrând în acelasi timp compatibilitatea cu produsele software pentru 8086/8088 si 80286. 80386 a fost urmat de 80386 SX, un element de tranzitie între 80286 si 80386, face si în cazul lui 8086 care a fost urmat de 8088, care are magistrale de date de 16 biti. Intern însa prelucreaza 32 biti ca si 80386.

Urmatorul membru al familiei Intel, 80486 nu este esential diferit de predecesorul sau 80386. Beneficiind de o tehnologie superioara, 486 este mai rapid si înglobeaza în structura sa circuite care în mod traditional erau circuite suport exterioare cum ar fi: coprocesorul matematic, controllerul pentru memoria cache. Lucreaza la frecventa de pâna la 100MHz.

1993 – PENTIUM- microprocesor latimea magistralei de date de 64 de biti. Acest microprocesor lucreaza la frecvente între 75 MHz si 150 MHz.

1995 – Procesorul Intel Pentium Pro, destinat aplicatiilor asistate de calculator, a calculelor stiintifice. Acest procesor continea 5,5 milioane de tranz.

1997 Intel Pentium II proiectat în special pt. procesare video si pt. grafica. Acest procesor facilita schimbul de informatii multimedia, în special datorita setului de instructiuni MMX. Lucreaza la 400 MHz.

1998 – Intel Pentium II XEON – destinat în special Serverelor pe care ruleaza aplicatii mari consumatoare de resurse. Se puteau construi sisteme ce 2,4, sau 8 astfel de procesoare.