Ο μικροεπεξεργαστής (microprocessors) ή κεντρική μονάδα επεξεργασίας (central processing unit, CPU) αποτελεί την “καρδιά” του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Είναι ουσιαστικά το κομμάτι που κάνει έναν H/Y να λειτουργεί.
Ορισμός
Ο μικροεπεξεργαστής είναι υπεύθυνος για την εκτέλεση όλων των λειτουργιών και εντολών ενός υπολογιστή. Κάθε πρόγραμμα (software) και κάθε συστατικό υλικού (hardware) του υπολογιστή εξαρτάται από αυτόν. Ο επεξεργαστής χειρίζεται δεδομένα και μεταφέρει πληροφορίες μεταξύ των άλλων συστατικών του υλικού, όπως η μνήμη και ο σκληρός δίσκος.Ένας μικροεπεξεργαστής είναι ένα είδος ολοκληρωμένου κυκλώματος κατασκευασμένο πάνω σε ένα μικρό κομμάτι πυριτίου. Οι σύγχρονοι επεξεργαστές περιέχουν 1-2 ή και παραπάνω δισεκατομμύρια τρανζίστορ τα οποία συνδέονται μεταξύ τους μέσω εξαιρετικά λεπτών χάλκινων συρμάτων και εργάζονται μαζί για να χειριστούν τα δεδομένα, έτσι ώστε ο επεξεργαστής να μπορεί να εκτελέσει μία ευρεία ποικιλία λειτουργιών.Η κατασκευή μικροεπεξεργαστών είναι μια σύνθετη και απαιτητική διαδικασία η οποία χωρίζεται σε εκατοντάδες βήματα. Σε γενικές γραμμές θα πούμε μόνο ότι γίνετε με την στρωματοποίηση λεπτών επιφανειών πυριτίου, που ονομάζονται wafers, μέσω διαφόρων διαδικασιών που χρησιμοποιούν χημικές ουσίες, αέρια και φως.
Ο μικροεπεξεργαστής είναι υπεύθυνος για την εκτέλεση όλων των λειτουργιών και εντολών ενός υπολογιστή. Κάθε πρόγραμμα (software) και κάθε συστατικό υλικού (hardware) του υπολογιστή εξαρτάται από αυτόν. Ο επεξεργαστής χειρίζεται δεδομένα και μεταφέρει πληροφορίες μεταξύ των άλλων συστατικών του υλικού, όπως η μνήμη και ο σκληρός δίσκος.Ένας μικροεπεξεργαστής είναι ένα είδος ολοκληρωμένου κυκλώματος κατασκευασμένο πάνω σε ένα μικρό κομμάτι πυριτίου. Οι σύγχρονοι επεξεργαστές περιέχουν 1-2 ή και παραπάνω δισεκατομμύρια τρανζίστορ τα οποία συνδέονται μεταξύ τους μέσω εξαιρετικά λεπτών χάλκινων συρμάτων και εργάζονται μαζί για να χειριστούν τα δεδομένα, έτσι ώστε ο επεξεργαστής να μπορεί να εκτελέσει μία ευρεία ποικιλία λειτουργιών.Η κατασκευή μικροεπεξεργαστών είναι μια σύνθετη και απαιτητική διαδικασία η οποία χωρίζεται σε εκατοντάδες βήματα. Σε γενικές γραμμές θα πούμε μόνο ότι γίνετε με την στρωματοποίηση λεπτών επιφανειών πυριτίου, που ονομάζονται wafers, μέσω διαφόρων διαδικασιών που χρησιμοποιούν χημικές ουσίες, αέρια και φως.
Ο Νόμος του Moore
Ο Gordon Moore είναι συνιδρυτής και επίτιμος πρόεδρος της Intel Corporation και συγγραφέας του Νόμου του Moore που δημοσιεύθηκε στις 19 Απριλίου του 1965 στο περιοδικό Electronics. Στο νόμο αυτό ο Moore προέβλεπε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που αποτελούν έναν επεξεργαστή θα διπλασιάζεται κάθε χρόνο. Το 1995 αναθεώρησε τον νόμο του ως προς τον χρόνο διπλασιασμού, ο οποίος θα συνέβαινε κάθε 2 χρόνια πλέον. Αποτελεί την κατευθυντήρια αρχή της βιομηχανίας κατασκευής ημιαγωγών στο σχεδιασμό φθηνότερων και ισχυρότερων τσιπ.
Ο Gordon Moore είναι συνιδρυτής και επίτιμος πρόεδρος της Intel Corporation και συγγραφέας του Νόμου του Moore που δημοσιεύθηκε στις 19 Απριλίου του 1965 στο περιοδικό Electronics. Στο νόμο αυτό ο Moore προέβλεπε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που αποτελούν έναν επεξεργαστή θα διπλασιάζεται κάθε χρόνο. Το 1995 αναθεώρησε τον νόμο του ως προς τον χρόνο διπλασιασμού, ο οποίος θα συνέβαινε κάθε 2 χρόνια πλέον. Αποτελεί την κατευθυντήρια αρχή της βιομηχανίας κατασκευής ημιαγωγών στο σχεδιασμό φθηνότερων και ισχυρότερων τσιπ.
Ο Moore βραβεύτηκε το 1990 με το Εθνικό Μετάλλιο Τεχνολογίας και το 2002 με το Προεδρικό Μετάλλιο της Ελευθερίας, το υψηλότερο βραβείο για πολίτες στις Ηνωμένες Πολιτείες. Η αναδρομή μας στην εξέλιξη των μικροεπεξεργαστών ξεκινάει αρχές δεκαετίας 1970 με τον Intel 4004 και καταλήγει στο έτος 2000 με τον επίσης Intel Pentium 4.
1971 Intel 4004
Θεωρείται ο πρώτος μικροεπεξεργαστής. Σχεδιάστηκε από την Intel για λογαριασμό της Busicom, με σκοπό την κατασκευή μιας ηλεκτρονικής αριθμομηχανής. Δεν χρησιμοποιήθηκε σε υπολογιστή με την έννοια που δίνουμε σήμερα στον όρο “υπολογιστή”, καθώς δεν είχε εφευρεθεί ακόμη, αλλά σε απλούστερες μηχανές. Είχε πολύ μικρή υπολογιστική δύναμη ακόμη και για εκείνη την εποχή και μια πολύ σύντομη ζωή. Αλλά αποτέλεσε τον πρόδρομο για την επόμενη επιτυχημένη γενιά των 8bit.
1972 Intel 8008
Ο 8008 ήταν ένας πρόωρος επεξεργαστής. Ήταν πιο αργός σε ταχύτητα από τον 4004 όμως χάρη στο 8bit bus και την πρόσβαση σε μεγαλύτερο μέγεθος μνήμης είχε 3 με 4 φορές μεγαλύτερη επεξεργαστική ισχύ από τον πρώτο. Τον βρίσκουμε περισσότερο σε ελεγκτές και τερματικά. Αλλά χρησιμοποιήθηκε και σε κάποιες αρχικές προσπάθειες κατασκευής προσωπικών υπολογιστών όπως ο Mark-8, ο MCM 782 APL και ο R2E Micral.
1974 Intel 8080
Αυτή η CPU αποτέλεσε την “καρδιά” των περισσότερων αρχικών μικροϋπολογιστών του κόσμου, συμπεριλαμβανομένου και του Altair 8800. Όλοι οι σύγχρονοι υπολογιστές χρησιμοποιούν κάποιον απόγονο του 8080. Πιθανόν να μπορούν να “τρέξουν” μέρος από κώδικά 8080. Παρά την τεράστια επιρροή και τις μεγάλες πωλήσεις του σύντομα επισκιάστηκε από τον πιο προηγμένο Z80.
1974 Motorola 6800
Ο MC6800 είναι ο “πατέρας” της μεγάλης οικογένειας των 680x μικροεπεξεργαστών και μικροελεγκτών. Μερικοί από αυτούς παράγονται ακόμη και σήμερα. Κυρίως πουλήθηκε για την κατασκευή περιφερειακών και μονάδων βιομηχανικού ελέγχου. Λόγω του ότι απαιτούσε μόνο μια τάση τροφοδοσίας και δεν χρειαζόταν άλλα τσιπ υποστήριξης για να λειτουργήσει, ήταν πολύ πιο εύκολο να ενσωματωθεί σε προϊόντα σε σχέση με τον 8080.
1975 MOS 6501 & 6502
Ο 6501 ήταν πλήρως συμβατός στους ακροδέκτες με τον MC6800 και σχεδιάστηκε από πρώην υπαλλήλους της Motorola. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα η Motorola να κάνει μήνυση στην MOS Technology. Έτσι αντικαταστάθηκε από τον μη συμβατό 6502. H MOS Technology αγοράστηκε από την Commodore αργότερα το ίδιο έτος. Χρησιμοποιήθηκε σε διάφορους προσωπικούς υπολογιστές όπως στον Commodore Pet, στον VIC20 και στον Apple II. Παρέμεινε σε παραγωγή για πολλά χρόνια. Μόνο οι Ζ80 και 8088 είχαν μεγαλύτερη επιτυχία.
1976 Intel 8085
Ο 8085 ήταν μέρος μιας μεγάλης οικογένειας τσιπ που σχεδιάστηκαν από την Intel, με σκοπό την κατασκευή ενός ολοκληρωμένου Η/Υ. Αποτελεί μια βελτιωμένη έκδοση του 8080 με επιπρόσθετες εντολές. Το νούμερο “5” προέρχεται από το γεγονός ότι απαιτεί μόνο μια τροφοδοσία +5V, σε αντίθεση με τις 3 που απαιτούσε ο 8080. Χρησιμοποιήθηκε σαν επεξεργαστής σε υπολογιστές που έτρεχαν CP/M αλλά και σαν μικροελεγκτής. Χρησιμοποιείται σε πολλές σχολές ως εισαγωγικό μάθημα στους μικροεπεξεργαστές.
1976 Texas Instruments TMS9900
Πρόκειται για τον πρώτο επεξεργαστή τεχνολογίας 16bit σε ένα και μόνο τσιπ. Αντικατέστησε την σειρά mini computers TI990, που ήταν σχεδιάσεις πολλαπλών τσιπ. Χρησιμοποιήθηκε κυρίως στους υπολογιστές TI-99/4 και TI-99/4A. Μειονεκτήματα του η ανάγκη ύπαρξης μιας fast RAM (μικρής χωρητικότητας) και η αδυναμία να “δει” περισσότερο από 64Kb μνήμης. Παρά την πολύ κακή υποστήριξη από την Texas Instruments ο TMS9900 μπορούσε, κάποια στιγμή, να ξεπεράσει σε δημοτικότητα τον Intel 8086.
1976 Zilog Z80
Ο πιο επιτυχημένος μικροεπεξεργαστής από την στιγμή που εμφανίστηκε στην αγορά και μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του ’80. Ο Z80 είναι το πρώτο τσιπ που κατασκεύασε η Zilog, εταιρεία που δημιούργησαν πρώην μηχανικοί της Intel. Αποτελεί βελτιωμένη έκδοση του 8080 και είναι πλήρως συμβατός μαζί του. Πουλήθηκε σε τεράστιες ποσότητες και χρησιμοποιήθηκε σχεδόν από όλους τους κατασκευαστές υπολογιστών, πλην Apple και Commodore. Κάποιες εκδόσεις του βρίσκονται σε παραγωγή μέχρι σήμερα.
1978 Intel 8086 & 8088
Ο 8086 είναι ο “πατέρας” όλων των μελλοντικών επεξεργαστών της Intel που βασίζονται στην αρχιτεκτονική x86. Δυστυχώς η Intel είχε κάνει μια πολύ κακή επιλογή στη σχεδίαση του τσιπ, που αφορούσε τον τρόπο με τον οποίο ο επεξεργαστής έχει πρόσβαση στην μνήμη. Με βάση αυτήν την επιλογή η IBM περιόρισε την μέγιστη μνήμη που μπορούσε να δει ο πρώτος IBM PC στα 640Kb. Ένα μεγάλο λάθος που βασάνισε τους χρήστες IBM συμβατών για πολλά χρόνια, μέχρι την εμφάνιση του 80386 και λειτουργικών συστημάτων όπως τα Linux, OS/2 και Windows 2000.
Ο 8088 εμφανίστηκε ένα χρόνο αργότερα, το 1979 και ήταν ένας 8086 μειωμένου κόστους. Ήταν ένα υβρίδιο 8/16bit τεχνολογίας. Ενώ εσωτερικά το data bus ήταν 16bit, εξωτερικά επικοινωνούσε με bus των 8bit. Αυτό σήμαινε ότι οι σχεδιαστές μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τσιπ υποστήριξης των 8bit και έτσι να περιορίσουν το κόστος ενός Η/Υ. Αυτός ήταν και ο επεξεργαστής που χρησιμοποιήθηκε στον πρώτο IBM PC.
1979 Motorola MC68000
Ο καλύτερος 16bit επεξεργαστής αλλά και ο ακριβότερος. Τον βρίσκουμε σε πάρα πολλούς υπολογιστές όπως Apple Macintosh, Commodore Amiga, Atari ST και σε πολλούς ακόμη. Αγαπήθηκε πολύ από τους προγραμματιστές και ο κώδικας του έτεινε να είναι πιο μικρός και πιο γρήγορος από αυτόν του 8088. Η εξέλιξη του ακολούθησε αυτή της x86 σειράς με τα μοντέλα 68020, 30 και 40. Δυστυχώς η μετάβαση της Apple στους PowerPC επεξεργαστές αποτέλεσε το κύκνειο άσμα τους.
1982 Intel 80286
Ο 80286 σχεδιάσθηκε για συστήματα multi-user σε συνδυασμό με multitasking εφαρμογές. Η απόδοση του αρχικού μοντέλου ανά κύκλο ρολογιού ήταν διπλάσια σε σχέση με τον 8086. Ο Bill Gates αλλά σχεδόν και όλοι οι προγραμματιστές έδωσαν σε αυτόν το επεξεργαστή το παρατσούκλι “brain damaged”, λόγο της πολύπλοκης διευθυνσιοδότησης μνήμης. Ήταν αναμφισβήτητα υπεύθυνο για την διαφωνία μεταξύ της Microsoft και της IBM, αφού η δεύτερη επέμεινε ότι το OS/2 θα έπρεπε να τρέχει στον 286. Παραδόξως ο 286 σχεδιάστηκε λίγο μετά από τον πιο ισχυρό 80386. Εξαιτίας όμως της πολυπλοκότητας του να κατασκευαστεί και του μεγαλύτερου κόστους προτιμήθηκε να βγει στην αγορά πιο πριν ο 286. Συνέχισε να παράγεται για τα επόμενα 10 χρόνια.
1984 Motorola MC68020
Ο πρώτος πραγματικά 32bit επεξεργαστής στον κόσμο. Σχεδιάσθηκε με εσωτερικό και εξωτερικό data bus των 32bit αλλά και address bus 32bit, με αποτέλεσμα να “βλέπει” έως 4GB μνήμης. Χρησιμοποιήθηκε στους Apple Macintosh II και Macintosh LC, στα Sun 3 workstations, στην οικογένεια HP 9000/300/400 και σε πολλούς ακόμη υπολογιστές. Υπάρχει και μια έκδοση μικρότερου κόστους με το όνομα 68EC020. Η διαφορά βρίσκεται στο μικρότερο address bus των 24bit. Μπορεί να “δει” μέχρι 16MB RAM. Γύρω από αυτό σχεδιάσθηκε η Amiga 1200 και η κονσόλα Amiga CD32 της Commodore.
1985 Acorn ARM1 & ARM2
Ο πρώτος εμπορικά διαθέσιμος τεχνολογίας RISC επεξεργαστής. Το 1ο μέλος της οικογένειας ARM, το Acorn RISC Machine που αργότερα άλλαξε σε Advanced RISC Machine, αναπτύχθηκε από μια ομάδα μηχανικών της εταιρείας Acorn Computers. Ο σχεδιασμός και ο προγραμματισμός του πρώτου τσιπ ARM1 έδειξε ότι υπήρχαν ορισμένοι τομείς που μπορούσαν να βελτιωθούν ώστε να μεγιστοποιηθεί η απόδοση των συστημάτων που βασίζονται γύρω από αυτό. Όπως η προσθήκη 2 εντολών, της Multiply και της Multiply and Accumulate. Από τις βελτιώσεις αυτές προήρθε ο ARM2, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στον υπολογιστή Acorn Archimedes το 1987.
1985 MIPS R2000
Ο R2000 αναπτύχθηκε από την MIPS Computer Systems. Ήταν η πρώτη εμπορική εφαρμογή της αρχιτεκτονικής MIPS I. Χρησιμοποιήθηκε στους υπολογιστές πολλών εταιρειών όπως της Ardent, της DEC, της Silicon Graphics αλλά και στα unix workstations της MIPS. Στην αρχή πουλήθηκε σαν ολοκληρωμένο πακέτο μαζί με τον μαθηματικό επεξεργαστή R2010 , 4x R2010 write buffer τσιπ και τις data caches ώστε να εξασφαλιστεί ο σωστός χρονισμός. Το 1988 εμφανίστηκε μια βελτιωμένη έκδοση του, με το όνομα R2000A, ένας συνδυασμός του R2000 και του R2010 με ταχύτητα στα 16.67 MHz.
1986 Intel 80386
Ο 80386 αποτελεί το πιο σημαντικό τσιπ της σειράς x86. Ήταν ένα τεράστιο βήμα σε σχέση με τον προηγούμενο 286. Είχε καλύτερη διαχείριση μνήμης και ενσωματωμένα multi-tasking χαρακτηριστικά, κάτι που επέτρεψε την ανάπτυξη πιο σύγχρονων λειτουργικών συστημάτων. Σε αντίθεση με τον προγενέστερο του μπορούσε εύκολα να αλλάξει από Protected Mode σε Real Mode και ανάποδα και εισήγαγε μια νέα λειτουργία που ονομαζόταν Virtual 8086 Mode. Χάρη σε αυτήν το τσιπ μπορούσε να τρέχει ταυτόχρονα διαφορετικά προγράμματα. Κατά την διαδικασία της παραγωγής, νωρίς βέβαια, η Intel ανακάλυψε ένα πρόβλημα (bug) το οποίο θα μπορούσε να προκαλέσει έναν υπολογιστή να σταματήσει απροσδόκητα κατά την εκτέλεση 32bit λογισμικού. Έτσι η Intel δοκίμασε όλα τα τσιπ και όσα βρέθηκαν να είναι εντάξει σημαδεύτηκαν με ένα διπλό σίγμα (ΣΣ) ενώ όσα ήταν προβληματικά με την φράση “16 BIT S/W ONLY”.
1986 Fujitsu SPARC MB86900
Ο MB86900 είναι ο πρώτος SPARC επεξεργαστής, τεχνολογίας RISC, που σχεδιάσθηκε με βάση την αρχιτεκτονική SPARC (Scalable Processor ARChitecture) V7 που αναπτύχθηκε από την Sun Microsystems το 1985. Χρησιμοποιήθηκε σε 2 server της SUN, τους 4/260 ‘Sunrise’ και 4/110 ‘Cobra’, αντικαθιστώντας τους Motorola 68k που υπήρχαν στην προηγούμενη σειρά SUN 3.
1987 Motorola MC68030
Ο 68030 είναι ο διάδοχος του 68020. Βασίζεται στον πυρήνα του δεύτερου αλλά έχει καλύτερη απόδοση χάρη σε κάποιες βελτιώσεις:
- Έχει 256 byte data cache με χρόνο πρόσβασης ενός κύκλου ρολογιού
- Έχει μειωθεί στο μισό και ο χρόνος πρόσβασης στην instruction cache
- Χρησιμοποιείται ένα νέο memory interface για γρηγορότερη εισαγωγή δεδομένων στις μνήμες cache
- Χάρη στην ενσωματωμένη MMU οι διευθυνσιοδοτήσεις εκτελούνται παράλληλα με τις άλλες λειτουργίες της CPU.
Χρησιμοποιήθηκε σε πάρα πολλούς υπολογιστές μεταξύ αυτών του Apple Macintosh II, Commodore Amiga 3000, NeXT Cube, Sun 3/80 workstation, Atari TT, Atari Falcon.
Υπάρχει και ο 68EC030 χωρίς την ενσωματωμένη μονάδα διαχείρισης μνήμης (MMU).
1988 MIPS R3000
Ο R3000 διαδέχτηκε τον R2000. Περιείχε 32Kb, αργότερα 64Kb, στις instructions και data caches και επιπλέον είχε και μια ακόμα κοινής χρήσης σε multi-processors συστήματα. Αν και υπήρχαν προβλήματα στην λειτουργία multi-processors ο R3000 κατάφερε να βρίσκεται σε αρκετά τέτοια συστήματα. Περιλάμβανε και MMU ένα κοινό χαρακτηριστικό για επεξεργαστές εκείνης της εποχής. Πουλήθηκαν πάνω από 1 εκ. κομμάτια. Κυκλοφόρησε και μια γρηγορότερη έκδοση στα 40MHz με τον κωδικό R3000A. Υπάρχει στο PlayStation 1 αλλά και στον πυρήνα του Emotion Engine στο PlayStation 2.
1989 Intel 80486
Με την κυκλοφορία του 486 περάσαμε από τα ΛΣ τύπου command line (MS-DOS) στα point-and-click (Windows 95). Ήταν ο πρώτος της x86 οικογένειας τεχνολογίας pipelined, είχε ενσωματωμένο μαθηματικό συνεπεξεργαστή και επίσης ο πρώτος που ξεπέρασε το 1 εκ. τρανζίστορ. Κυκλοφόρησαν πολλά διαφορετικά μοντέλα από αρκετές εταιρίες. Οι τελευταίοι 486 επεξεργαστές ήταν ο AMD Am5x86 στα 133 MHz και ο Cyrix Cx5x86 στα 120 MHz. Παρά το γεγονός ότι σταμάτησε να χρησιμοποιείται στους προσωπικούς υπολογιστές στα μέσα της δεκαετίας του ’90, η Intel συνέχισε να τον κατασκευάζει μέχρι και το 2007 για χρήση σε βιομηχανικά συστήματα.
1989 Acorn ARM3
Η επόμενη γενιά της σειρά ARM ήρθε με την μορφή του ARM 3. Πρόσφερε 4Kb ενοποιημένης cache και αυξημένη ταχύτητα ρολογιού, συνήθως στα 25MHz. Ήταν συμβατός σε επίπεδο ακροδεκτών με τον ARM 2 οπότε μπορούσε να τον αντικαταστήσει σε παλαιότερα συστήματα και να τα αναβαθμίσει. Χρησιμοποιήθηκε από την Acorn στους υπολογιστές Α5000 και Archimedes 540, στο notebook A4 και στα workstations R225 και R260
1990 Motorola MC68040
Ο 68040 ήταν το πρώτο μέλος της οικογένειας 680×0 που περιλάμβανε μαθηματικό συνεπεξεργαστή (FPU). Είχε επίσης instruction και data caches των 4Kb η καθεμία και pipeline 6 σταδίων. Κυκλοφόρησαν και 2 φθηνότερα μοντέλα, το 68LC040 χωρίς FPU και το 68EC040 χωρίς FPU και MMU. Μεγάλο του μειονέκτημα ήταν το πρόβλημα θερμοκρασίας εξαιτίας των απαιτήσεων σε ισχύ που προερχόταν από την πολυπλοκότητα και τις caches του τσιπ. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα η ταχύτητα του να μην υπερβεί ποτέ τα 40MHz. Υπήρξαν σχέδια για μια έκδοση στα 50MHz αλλά εγκαταλείφθηκαν. Χρησιμοποιήθηκε σε πολλά μοντέλα της Apple (σειρές Quadra και Performa), σε σταθμούς εργασίας UNIX και στην Amiga 4000.
Σας ευχαριστώ που διαβάσατε το άρθρο μου! Αν σας άρεσε κοινοποιήστε το ή γράψτε τα σχόλια σας!
Leave A Comment