Zatímco základní
deska umožňuje komunikovat ostatním perifériím a komponentům v počítači,
procesor je součástka, která základní desku oživí – říká jí co má dělat
(mozek počítače). Samozřejmě si to nevymýšlí, ale řídí se programem, který
na počítači spustí jeho uživatel.
Nejznámější výrobci jsou: Intel, AMD a VIA . Asi nejdravější je v
současnosti VIA, jež koupila dva bývalé výrobce Cyrix a IDT, kteří
vyráběli velice levné, a tím pádem i málo výkonné procesory . Formuje se
také společnost Transmeta, která nabízí procesory řady Crusoe. Ty se
vyznačují nízkou spotřebou a hodí se zejména do notebooků (ty už nabízí
například společnost IBM).Volbě procesoru je třeba přizpůsobit také volbu
základní desky, neboli motherboardu . Prakticky každý typ procesoru se
osazuje do jiného slotu nebo patice, dokonce ani neplatí, že by se
procesory od jednoho výrobce osazovaly do stejných slotů.
Velmi důležitý je výkon procesoru. Ten řídí běh programů a jeho rychlost
určuje také rychlost zpracovávání instrukcí programu. Výkon každého
procesoru se udává ve dvou základních typech operací: práce s celými čísly
a práce s desetinnými čísly(čísla s plovoucí čárkou). Rychlost(taktovací
frekvence) procesoru se udává v MHz.
Procesor je polovodičová součástka z
křemíkové destičky s příměsí. Krystal křemíku se cílenými zásahy
ultrafialového záření stává na některých místech vodivý a jinde nevodivý.
Pak se na něj integrují tranzistory. Takto vzniklé počítače jsou nejen
rychlé, protože vysokým nahuštěním se zkracuje dráha, kterou musí uletět
elektron, ale neméně důležité je také to, že obrovsky klesla energetická
spotřeba a tím pádem také teplota čipu. Postup výroby procesoru je obvykle
nazýván podle nejmenšího prvku, jaký jsme schopni vyrobit. To znamená, že
např. v technologii 0,25µm můžeme vyrobit prvky, které měří pouze 0,25µm.
Pro srovnání: lidský vlas má tloušťku přibližně 80µm. Procesor 386 byl
vyroben v technologii 1,5µm, další vývoj nás dovedl až k dnešní nejnovější
technologii 0,18µm. Proto se dnes může Pentium 4 pyšnit 42 miliony
tranzistorů.
Historie
mikroprocesorů firmy INTEL
Američan Robert Noyce,
pracující pro společnost Fairchild Semiconductor, r. 1959 vynalezl postup,
jak navzájem spojovat stavební prvky čipu ještě mnohem jednodušším
způsobem - technikou tzv. planární difůze. V roce 1964 Gordon Moore
formuloval domněnku, že kapacita integrovaných obvodů se každých 12 až 18
měsíců zdvojnásobí. Tento postulát vešel později ve známost jako tzv.
Mooreův zákon a zatím opravdu platí. Robert Noyce a Gordon Moore si
nicméně pravděpodobně velice padli do oka, protože se v roce 1968 pustili
do společného podnikání a založili Intel Corporation.
1971:
4004 Microprocessor
Intel představuje svůj první procesor. Intel 4004 se skládal z 2300
tranzistorů a prováděl 60000 instrukcí za sekundu. Jeho pracovní
frekvence byla 108KHz. Měl 4bitovou sběrnici a umožňoval adresovat 640
bajtů. Měl jen pár instrukcí pro aritmetické výpočty. Tento zásadní
vynález s 10 mikronovou technologií poháněl kalkulačku japonské firmy
Busicom.
1972:
8008 Microprocessor
Byl následníkem 4004, ale byl vyvíjen současně s 4004. Měl již 3500
tranzistorů a pracoval na frekvenci 200KHz, jeho sběrnice je byla
8bitová a mohl adresovat až 16 KB paměti. Používal se v titulkovacích
strojích (TV) , kalkulačkách a jednodušších výrobních linkách na
plnění lahví.
1974:
8080 Microprocessor
Skládal se z 6000 tranzistorů. A při použití 6mikronové technologie
pracoval na 2 MHz. 8bitová sběrnice mohla adresovat až 64 KB. A
prováděl 640 tisíc operací za sekundu. Používal se na řízení
světelných křižovatek a stal se mozkem prvního osobního počítače
- Altair (cíl cesty lodi Enterprise ze StarTreku). V prvních měsících
se prodaly desítky tisíc kusů.
1978:
8086-8088 Microprocessor
Zahajuje první generaci procesorů x86. Počet tranzistorů na čipu se
zvýšil na 29 tisíc. Pracovní frekvence je 5-10 MHz. 8086 je 16bitový
procesor, může adresovat 1 MB. 8088 je 16bitový jen uvnitř, sběrnici
má 8bitovou. Počínaje tímto modelem, měly všechny procesory jednoho
společného jmenovatele. Byly určeny pro světově nejrozšířenější
osobní počítače PC kompatibilní. Je třeba připomenout, že roku
1981 spatřil světlo světa první osobní počítač IBM PC. 8086 je cca 10
krát rychlejsí než 8080. Přidáním některých podpůrných obvodů přimo na
čip 8086 vznikl i 80186 (rok 1982).
1982:
286 Microprocessor
Tento procesor byl první, který začal zachovávat zpětnou
kompatibilitu. Zpětná kompatibilita se stala charakteristickým rysem
rodiny procesorů Intel. Po 6 letech od jeho vydání bylo odhadováno 15
miliónů 286-počítačů instalovaných na světě. 1.5mikronová technologie
umožňovala na křemíkovou destičku vměstnat 134 tisíc tranzistorů,
které při frekvenci až 12 MHz dosahovaly až 2.66 MIPS. Vnější
adresovatelná paměť byla 16 MB a vnitřní (virtuální) 1 GB. Je 6krát
rychlejší než 8086 a Intel v té době uváděl, že může prohledat "Encyclopedia
Britannica" za 45 sekund.
1985:
Intel 386(TM) Microprocessor
Intel 80386 tvořený 275 tisíci tranzistory byl 100 krát rychlejší než
4004. Tento 32-bitový procesor již plně podporoval "multitasking". V
roce 1985 se vyráběla verze DX taktovaná 12 MHz (6 MIPS), 32bitová
sběrnice adresovala až 4 GB paměti, virtuální paměť dovolovala
adresovat až 64 TB. V roce 1988 byla vydána verze SX pro mobilní
počítače externí sběrnice byla jen 16bitová, a mohla adresovat jen 16
MB. Další verze SL byla vydána v 1990. Tento procesor byl určen pro
kompaktní systémy, měl integrovanou cache, řadič sběrnice a řadič
pamětí. (855 tisíc tranzistorů, 1mikronová technologie). Pracoval až
na 20 MHz.
1989:
Intel 486(TM) DX CPU Microprocessor
Integrovaná cache a vestavěný matematický koprocesor dělají z 386
procesor 486. Čip i486 - čtvrtá generace procesorů x86 - obnáší
už 1.2 milionu tranzistorů a dokáže při 20 MHz provést 20 MIPS. V roce
1992 mohou být provozovány při pracovní frekvenci 50 a 66 MHz
(označení DX2) a přitom provádějí 54 MIPS. Sběrnice ale pracuje u DX2
jen na poloviční frekvenci tj. 25 nebo 33 MHz. O dva roky později se
objevují procesory s označením DX4, které pracují na trojnásobné
frekvenci sběrnice, tj 75 a 100 MHz. Dále se ještě objevuje verze SX
jako "levná varianta" bez matematického koprocesoru.
1993:
Pentium Processor
Pentium je plně kompatibilní s předchůdci, ale obsahuje řadu
významných rozšíření jako je 64bitovou datovou sběrnici (stále je to
ale 32bitový procesor), oddělené 8 KB datové a instrukční vyrovnávací
paměti, zřetězené provádění instrukcí, dynamické předvídání skoků,
atd. Obsahoval 3.1 milionu tranzistorů (0.8 mikron BiCMOS). Při
pracovní frekvenci 66 MHz prováděl 112 MIPS. Adresovatelný prostor byl
4 GB a virtuální 64 TB. Až do roku 1997 se zlepšovala
technologie výroby z 0.8 na 0.35 mikronu, to umožnilo zvedat
pracovní frekvenci na 75, 90, 100 , 120, 130, 150, 166, 200 MHz. Je
třeba si ale uvědomit, sběrnice je 2 až 4 krát pomalejší, proto reálný
výkon tak závratně neroste.
1997:
Pentium MMX Processor
V
roce 1997 přišel Intel s novou technologii MMX. Podle Intelu je to
největší pokrok od 386. MMX přináší rozšíření o multimediální
instrukce. Jedná se o 57 nových instrukcí. Ty jsou optimalizovány s
ohledem na výpočty, které jsou potřebné u zvukových a grafických úloh.
Ovšem není všechno zlato, co se třpytí. A to se týká i MMX.
Protože multimediální rozšíření používá stejné registry jako matematický
koprocesor, nemohou oba výpočty pracovat současně. A právě matematický
koprocesor se stává při grafických úlohách nepostradatelným. Neustále
přepínání procesor velmi brzdí. Procesory Pentium MMX jsou i v základní
sadě instrukcí cca o 20% rychlejší díky drobným změnám v architektuře,
jako bylo zvětšení vnitřní cache na dvojnásobek - ze 16 na 32 KB a nový
algoritmus na předpovídání větvení běhu programu.První MMX pracovaly na
166 MHz, v lednu 1999 byl vydán čip pracující i na 300 MHz, je určen
především do notebooků a může se pochlubit 4.5 miliony tranzistorů.
1995:
Pentium Pro Processor
Koncem roku 1995 Intel vydal procesor s označením "Pentium Pro". Pět a
půl milionu tranzistorů se tísní na malé křemíkové destičce. Způsob
práce procesoru označuje Intel jako "dynamic execution".
"Dynamic
execution" je je pojem, který razí Intel. Skrývá se za ním
kombinace tří technik použitých v procesoru Pentium Pro za účelem
urychlení běhu programu. Jsou to tyto:
Předpověď skoků: procesor se dívá několik kroků v programu dopředu a
určuje, které skoky s velkou pravděpodobností nastanou a které skupiny
instrukcí proto budou zřejmě zpracovávány jako příští.
Analýza toku dat: v dalším kroku procesor zkoumá, jaké instrukce jsou
závislé na jiných výsledcích a datech. Tím sestavuje optimální časový
plán pro zpracování jednotlivých příkazů. Původní pořadí provádění
příkazů přitom nemusí být dodrženo: nastupuje "out-of-order-execution".
Díky tomu je možné obejít některé případy, které si v Pentiu vynucují
pauzy.
Spekulativní provádění: na základě časového plánu se provádějí
"potenciální" příkazy a procesor je díky tomu stále smysluplně
zaměstnán.
V
procesorovém pouzdru je integrována vyrovnávací paměť druhé úrovně Second
Level Cache (L2 cache). Jako druhý čip doplňuje 5.5 mil. tranzistorů
vlastního procesoru (téměř dvakrát více než u Pentia) o dalších 15.5 mil.
tranzistorů. To platí pro 256KB variantu procesoru. Pro servery je verze s
512 KB které ještě zdvojnásobuje interní paměťovou kapacitu. Protože jsou
struktury vyrovnávací paměti rovnoměrné, může být v křemíku realizována
velmi hustě. Čip paměti cache je proto menší než čip CPU. Úlohou paměti
cache je zabránit zpožděním, která vznikají přístupem do RAM. Typické
přístupové doby jsou 60ns až 80ns. Pro rychlý procesor je to však velmi
pomalé. Prostorová blízkost k CPU umožňuje Pentiu Pro, aby nyní mohla být
mezi centrální jednotkou a L2 cache s plnou rychlostí procesoru vyměňována
data. CPU a L2 cache komunikují přes 64bitové rozhraní.
Vyráběly se verze s 256 KB , 512 KB, 1 MB vyrovnávací pamětí a taktované
150 až 200 MHz.
1997:
Pentium II Processor
První verze pracovaly na 233, 266 a 300 MHz. V jeho útrobách najdeme
celkem 7.5 milionu tranzistorů, použita je 0.35 mikronová technologie.
Vyrovnávací paměť první úrovně má velikost 32 KB. Procesory jsou ale
externě vybavovány 512 KB L2 cache.
O vzrůst výkonu procesoru se starají především:
Architektura dvou nezávislých sběrnic - Dual Independent bus,
poprvé nasazená v procesoru Pentium Pro. Ta umožňuje odstranit úzké
hrdlo propustnosti dat v předchozích generacích procesorů Intel. Tato
architektura odstraňuje omezení při existenci pouze jedné sběrnice, jako
je tomu u procesoru Pentium (socket 7). Nová technologie nabízí až
trojnásobný vzrůst propustnosti dat a tomu odpovídající nárůst
výkonnosti systému. Architektura je tvořena dvěma sběrnicemi - pro
vyrovnávací paměť druhé úrovně (L2 cache) a systémovou sběrnici mezi
procesorem a hlavní pamětí. Oddělením těchto dvou cest dochází ke
zvýšení taktu na sběrnici L2 cache např. na 150 MHz (u 300 MHz varianty
Pentia II), což je znatelný přírůstek oproti procesoru Pentium, kde
vyrovnávací paměť je taktována "pouze" 66 MHz. Systémová sběrnice mezi
pamětí a procesorem pak umožní současné provádění paralelních transakcí
místo jednoduchých známých z předchozích generacích procesorů. Výsledkem
je opět nárůst výkonu.
Technologie dynamického vykonávání instrukcí - Dynamic Execution,
která zvyšuje sílu procesoru zpracováním větších objemů dat.
Procesor pomáhá softwarové nadstavbě při zpracování multimédií, videa,
grafiky, komunikací i při šifrování a dešifrování. O to vše se stará
technologie MMX.
Hybnou silou všech technologií, jak uvádí Intel, je nové pouzdření
Single Edge Contact (S.E.C.), které má dostatečnou rezervu
pro zvyšování výkonu dalších generací procesorů. Jde o inovační krok,
který opouští starší technologii Pin Grid Array (PGA). Nová technologie
umožňuje integrovat všechny prvky na podložku a pak je zavřít do
umělohmotného a kovového krytu tvořící vlastní tělo procesoru.
Díky
existenci externí L2 cache umístěné v pouzdru S.E.C. lze použít běžné
statické paměťové moduly, což umožňuje větší variabilitu nabídky vazby
procesor - L2 cache, vhodnou pro různé požadavky zákazníka.
V dubnu 1998 se začal vyrábět Pentium II bez L2 cache, tento procesor nese
označení Celeron, a je levnější variantou. 0.25 mikronová technologie
dovoluje (za dobrého chlazení) taktovat tyto procesory 450 MHz (sběrnice
stále zaostává "jen" na 100MHz). V lednu 1999 je představen Pentium II
Xeon (450 MHz) s integrovanou L2 cache až o velikosti 2 MB.
1999:
Pentium III Processor
Tento procesor byl sice vyvíjen pod názvem Katmai, ale oficiálně se
jmenuje Pentium III. Je založen na jádře Pentium II, navíc obsahuje 70
instrukcí (známých jako KNI - Katmai New Instructions) pro zrychlení
multimediálních aplikací, 3D aplikací, aplikací pro rozpoznávání
hlasu, přehrávání videa a her. A stále se zvedá pracovní frekvence a
velikost druhé vyrovávací paměti. Až na 550 MHz a 2 MB cache.
Pentium 4
Pentium 4 už není procesor, který by byl pouhým rozšířením možností Pentia
III; novinkou je nová patice, která není kompatibilní se Socketem 370-
nejprve to byla patice Socket 423, nyní je to patice Socket 478. Tento
procesor má úplně nové jádro, nové instrukce.Vyžaduje jinak optimalizované
aplikace. Právě proto jsou slabinou Pentia 4 syntetické testy syrového
výkonu, kde se nebere ohled na rychlost celého počítače.Pokud ale
použijete paměti RDRAM, nebude nic co by položilo Pentium 4 v
optimalizovaných aplikacích na lopatky.
AMD
Z pozice levného výrobce nepříliš výkonných procesorů, který měl několik
procent trhu s procesory, se společnost AMD se svým Athlonem a Duronem
dostala do pozice, kdy udává trend. I u nás se zmíněné procesory začínají
hodně prosazovat zejména kvůli nízké ceně a špičkovému výkonu.
K5
Je ekvivalentem Pentia od AMD. Má prakticky stejný výkon na stejné
frekvenci. Ale K5 je trochu pomalejší při práci s plovoucí čárkou.
Procesory od AMD měly však jednu velikou výhodu, které se drží dodnes.
Jsou levnější. K5 byly vyráběny od frekvence 75MHz do 166MHz a jsou určeny
pro Socket 7.
K6
Pracuje na vyšších frekvencích než K5. K6 a K5 jsou prakticky stejné a
není mezi nimi takový rozdíl jako mezi Pentiem a Pentiem II. K6 má jen pár
zlepšení jako je například duální napájení a jediným výrazným prvkem je
podpora instrukcí MMX.
K6-2
Hlavním vylepšením tohoto procesoru jsou nové multimediální instrukce
3DNow! A samozřejmě vyšší frekvence. Nabízely se od 300Mhz do 550MHz.
Athlon
Athlon přišel na trh na podzim roku 2000. AMD úplně předělala stávající
architekturu procesorů K6 a přišla s převratným procesorem. Ten umísťuje
do Slotu A, podporuje 200MHz interní sběrnici 100 a 133MHz externí
sběrnici. Sekundární vyrovnávací paměť běží na polovině frekvence
procesoru a má velikost 512kB. Athlon však podporuje až 8MB. Primární
vyrovnávací paměť je 128kB a běží na úplné frekvenci procesoru a je
čtyřikrát větší než u Celeronů a Pentií III. Zlepšena byla oproti K6 práce
s plovoucí čárkou.
Starý Athlon nahradila verze nová, tentokrát určená pro Socket A. Tato
verze se často označuje slovem Thunderbird, aby se odlišila od původní
verze pro Slot A začala se vyrábět na frekvenci 750MHz až do 1,5GHz.
Obsahuje 128kB primární a 256Kb sekundární vyrovnávací paměti a obě běží
na plnou frekvenci procesoru. Takže je ještě výkonnější než verze pro Slot
A a taky se méně zahřívá.
Athlon XP
V polovině roku 2001 uvedla společnost AMD na trh nový procesor který je
vybaven jádrem Palomino. Odstartoval na frekvenci 1,33GHz (1500+).
Duron
Duron je určen pro levnější sestavy a společnost AMD jím konkuruje
Celeronu. Začal se prodávat na frekvenci 650MHz. Dnes se prodává i na
frekvenci 1.5GHz. Od 900Mhz má jiné jádro (Morgan).
Tabulkový přehled mikroprocesorů INTEL
1970 až 1980
4004
8008
8080
8086
8088
Introduced
11/15/71
4/1/72
4/1/74
6/8/78
6/1/79
Clock
Speeds
108KHz
200KHz
2MHz
5MHz, 8MHz, 10MHz
5MHz, 8MHz
Bus Width
4 bits
8 bits
8 bits
16 bits
8 bits
Number of
Transistors
2,300
(10 microns)
3,500
(10 microns)
6,000
(6 microns)
29,000
(3 microns)
29,000 (3 microns)
Addressable Memory
640 bytes
16 KBytes
64 KBytes
1 MB
1 MB
Virtual
Memory
--
--
--
--
--
Brief Description
First
microcomputer chip, Arithmetic manipulation
Data/character
manipulation
10X
the performance of the 8008
10X
the performance of the 8080
Identical to 8086 except for its 8-bit external bus
1980 až 1990
80286
Intel386TM DX Microprocessor
Intel386TM SX Microprocessor
Intel486TM DX CPU Microprocessor
Introduced
2/1/82
10/17/85
6/16/88
4/10/89
Clock
Speeds
6MHz, 8MHz, 10MHz,
12.5MHz
16MHz, 20MHz, 25MHz,
33MHz
16MHz, 20MHz, 25MHz,
33MHz
25MHz, 33MHz, 50MHz
Bus Width
16
bits
32
bits
16
bits
32
bits
Number of
Transistors
134,000
(1.5 microns)
275,000
(1 micron)
275,000
(1 micron)
1.2 million
(1 micron)
(.8 micron with 50MHz)
Addressable Memory
16
megabytes
4
gigabytes
4
gigabytes
4
gigabytes
Virtual
Memory
1 gigabyte
64 terabytes
64 terabytes
64 terabytes
Brief Description
3-6X
the performance of the 8086
First
X86 chip to handle 32-bit data sets
16-bit
address bus enabled low-cost 32-bit processing
Level
1 cache on chip
1990 až ...
Intel486TM SX
Microprocessor
Pentium Processor
Pentium ProProcessor
Pentium
II Processor
Introduced
4/22/91
3/22/93
11/01/95
5/07/97
Clock Speeds
16MHz, 20MHz,
25MHz, 33MHz
60MHz, 66MHz,
150MHz, 166MHz, 180MHz, 200MHz
200MHz, 233MHz, 266MHz, 300MHz
Bus Width
32
bits
64
bits
64
bits
64
bits
Number of
Transistors
1.185 million
(1 micron)
3.1 million
(.8 micron)
5.5 million
(0.35 micron)
7.5 million
(0.35 micron)
Addressable Memory
4
gigabytes
4
gigabytes
64
gigabytes
64
gigabytes
Virtual
Memory
64 terabytes
64 terabytes
64 terabytes
64 terabytes
Brief Description
Identical in design to Intel486TM DX but without math
coprocessor
Superscalar architecture brought 5X the performance of the 33-MHz
Intel486TM DX processor