Intel Technologies Incorporated — американская корпорация, крупнейший в мире производитель микропроцессоров, оборудования для персональных компьютеров, компьютерных систем и средств связи.

Основана в 1968 г. Робертом Нойсом и Гордоном Муром. Тогда же к ним присоединился Эндрю Гроув. Цель нового предприятия — разработка на базе полупроводниковых технологий более дешевой альтернативы запоминающим устройствам на магнитных носителях.
Важнейшим компонентом любого персонального компьютера, его «мозгом» является микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации. Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, степень интеграции которой определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся, например, регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Количество и разрядность регистров во многом определяют архитектуру микропроцессора.
Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода/вывода). С внешними устройствами микропроцессор может общаться благодаря своим шинам адреса, данных и управления, выведенным на специальные контакты корпуса микросхемы. Разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных, например, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь только 16 внешних линий данных. Объем физически адресуемой микропроцессором памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как , где — количество адресных линий.

Закон Мура.
В 1965 г. журнал Electronics (vol. 39, № 8) в рубрике «Эксперты смотрят в будущее» выпустил статью «Cramming more components onto integrated circuits», в которой будущий основатель Intel Гордон Мур предсказал, что количество структурных элементов (транзисторов) на кристалле процессора, а следовательно и вычислительная мощность процессоров будут удваиваться каждые полтора-два года. Прошло сорок лет, а закон Мура продолжает действовать (таблица 1.1).
Понижение рабочего напряжения
По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели Intel x86 имели рабочее напряжение 12 и 5 В, с переходом к процессорам Pentium оно было понижено до 3,3 В, в настоящее время оно менее 1 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояние между структурными элементами в кристалле процессора до долей микрона (далее по тексту — ), не опасаясь электрического пробоя. Уменьшение размера, в свою очередь, позволяет разместить еще большее количество элементов на кристалле. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать скорость его работы без угрозы пробоя, что в свою очередь приводит к увеличению рабочей частоты ядра процессора. Первые микропроцессоры x86 работали с частотой не выше 1 МГц, рабочая частота Pentium 4 доходит до 5 ГГц.Увеличение разрядности процессора
Разрядность процессора показывает сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Микропроцессор i4004 был 4-разрядным, i8008 — 8-разрядный, i8086 уже 16-разрядный, начиная с i80386 микропроцессоры становятся 32-разрядными, Pentium’ы хотя и остаются 32-разрядными, но работают уже с 64-разрядной шиной данных. Компьютеры становятся двухъядерными, то есть два 32-разрядных процессора параллельно обрабатывают 64 разряда данных. В Pentium Pro появляется 128-разрядная внешняя шина данных, и компьютеры становятся уже четырехъядерными. Появляются полностью 64-разрядные микропроцессоры.Микропроцессор, как универсальный блок обработки информации, был разработан в 1962 г. Время поступления на рынок первых микро-ЭВМ совпало с завершением разработки однокристальных процессоров фирмой Intel. В 1969 г. Intel получил заказ на изготовление 12 типов микросхем для калькуляторов различных моделей. Малый объем каждой партии увеличивал стоимость их разработки. Инженер Intel Тед Хоф сконструировал объединенную микросхему — универсальное логическое устройство, которое отыскивало и отбирало прикладные команды из полупроводниковой памяти. Являясь ядром набора из четырех микросхем, этот центральный вычислительный блок не только соответствовал требованиям заказа и мог использоваться не только во всех типах заказанных калькуляторов, но и найти самое разнообразное применение без каких-либо переделок. С 1971 года Intel начал промышленный выпуск микропроцессора i4004. Он представлял собой четырехразрядное параллельное вычислительное устройство. С его помощью можно было обрабатывать четырехразрядные двоичные числа, действия над более длинными операндами выполнялись по частям. i4004 выполнял 45 различных команд и, тем не менее, его возможности были сильно ограничены. Четыре бита позволяли кодировать только цифры и символы знаков арифметических операций, хотя этого и было достаточно для математических расчетов. i4004 применялся поначалу только в карманных калькуляторах. Позднее сфера его применения была расширена за счет использования в различных системах управления, например, i4004 встраивался внутрь светофоров. Одновременно с выпуском микропроцессоров i4004 было организовано производство специализированного набора микросхем: модулей управления вводом/выводом i4009, оперативных запоминающих устройств i4002, постоянных запоминающих устройств i4001 и других. Выбирая тот или иной комплект микросхем, разработчик мог построить небольшой калькулятор, управляемый программой, записанной в ПЗУ.
Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжил интенсивные разработки, и один из его проектов в конечном итоге привел к крупному успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники. Им стал проект по разработке 8-разрядного микропроцессора i8008 (1972 г.). ЭВМ должны работать не только с цифрами, но также и с текстами. Использование 6 бит позволяет различать все цифры, а также большие и малые латинские буквы (можно закодировать 2⁶=64 символа). Но при этом остается мало значений для кодировки знаков пунктуации и управляющих символов, поэтому регистры i8008 сделали 8-разрядными (2⁸ это уже 256 символов). По сравнению с i4004 микропроцессор i8008 имеет очень развитую систему команд. Первоначально i8008 предназначался только для управления терминалом. Но как только i8008 стал доступен разработчикам из других фирм, этот микропроцессор предоставил им безграничные возможности для творчества и новаторской деятельности. В продуктовых магазинах появились первые цифровые весы — микросхема преобразовывала вес продуктов в цены и считывала этикетки с покупаемых товаров. Новый микропроцессор внес революционные изменения во все сферы жизни — от медицинских инструментов до кассовых систем ресторанов «быстрого питания», от бронирования авиабилетов до заправки топливом на бензоколонках.
Модификация этой микросхемы i8080 (1974 г.) — полноценное арифметико-логическое устройство, на базе которого было построено множество бытовых персональных компьютеров. Она же послужила прототипом для создания микропроцессора Z-80. i8008 был использован при создании любительской мини-ЭВМ (прообраз персонального компьютера) «Altair-8800», которая была создана в конце 1974 г. фирмой MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems). Для этого компьютера Бил Гейтс написал один из своих первых интерпретаторов языка Basic-80.
i8080 требовалось три напряжения питания и два поступающих из-вне тактовых сигнала с уровнем 12 В и частотой до 2 МГц с точно выдержанной задержкой между ними. i8085 имел систему команд i8080, а также ряд аппаратурных усовершенствований (единственное напряжение питания +5 В, отсутствие «проблемы тактов» и так далее), что упрощало применение микропроцессоров.
i8080 и i8085 относятся к классу 8-битных микропроцессоров, каждый следующий микропроцессор Intel становился все более сложным и гибким.В 1976 г. Intel закончил разработку 16-разрядного микропроцессора i8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит), 16-битную шину данных и 20-битную системную шину адреса, за счет чего мог адресовать до 1 Мбайта (2²⁰=1.048.576*10⁶) оперативной памяти. Тактовая частота 4 МГц. Машинные коды i8086 несовместимы с кодами i8080, но уже содержат специальные команды для деления и умножения.Микропроцессор i8088 имеет 8-битную шину данных, но сохраняет все функциональные возможности микропроцессора i8086. Регистры микропроцессора i8088 полностью соответствуют регистрам i8086. Отличие этих микропроцессоров заключается только во внутренней реализации, а с точки зрения программирования они полностью идентичны. Переход к 8-битной шине данных позволил использовать широкораспространенные на тот период вспомогательные микросхемы и внешние устройства, разработанные для i8080.
В 1980 г., исходя из текущей рыночной ситуации, корпорация IBM решает построить собственный 16-разрядный компьютер, подобный популярному Apple, с похожим программным обеспечением. При конструировании компьютера был применен принцип открытой архитектуры: его составные части были универсальными, что позволяло модернизировать компьютер по частям. Для уменьшения затрат на создание персонального компьютера IBM использовала разработки других фирм в качестве составных частей для своего детища, в частности, микропроцессор Intel — i8088 и программное обеспечение Microsoft. Появление IBM PC (персональный компьютер, Personal Computer) в 1981 г. породило лавинообразный спрос на персональные компьютеры, которые стали теперь орудием труда людей самых разных профессий. Наряду с этим возник гигантский спрос на программное обеспечение и компьютерную периферию. На этой волне возникли сотни новых фирм, занявших свои ниши компьютерного рынка.

Также на основе микропроцессора i8088 в 1983 г. создан компьютер XT (компьютер с расширенной технологией, Extended Technology).
Первоначально микропроцессор i8088 работал с частотой 4,77 МГц и имел быстродействие около 0,33 млн инструкций в секунду (Million Instruction Per Second, MIPS), однако впоследствии были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8 МГц).
Микропроцессор i80186 (1982 г.) — однокристальное расширение микропроцессора i8086, с внутренним генератором синхронизации, логикой управления прерываниями, схемой таймеров, контроллерами ПДП (прямого доступа к памяти) и программируемыми схемами выбора кристалла. i80186 обладал более высоким быстродействием и дополнительными вычислительными возможностями, которые особенно важны при проектировании сложных микросхем. В основном i80186 нашел применение в микроконтроллерах.Модификация микропроцессора i80186 с 8-битной шиной данных.В 1982 г. был создан i80286, представлял собой улучшенный вариант i8086. Оснащенный встроенным устройством управления памятью, он стал первым микропроцессором, совместимым со своими предшественниками. Поддерживал несколько режимов работы с памятью: реальный, когда формирование адреса производится по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью. i80286 имел 24-битную системную шину адреса, поэтому мог адресовать до 16 Мбайт (2²⁴=16.777.216) оперативной памяти. На основе i80286 в 1984 г. создан компьютер AT (компьютер с улучшенной технологией, Advanced Technology).

Микропроцессор i80386

В 1985 г. Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор i80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими микропроцессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру (32-битные регистры, 32-битную шину данных и 32-битную системную адресную шину), мог прямо адресовать до 4 Гбайт (2³²=4.294.967.296) оперативной памяти. Используется страничная организация памяти. Первым компьютером, использующим этот микропроцессор, был Compaq DeskPro 386. 32-разрядная архитектура нового микропроцессора дополнена расширенным устройством управления памятью (Memory Management Unit, MMU). На тактовой частоте 16 МГц быстродействие i80386 составило примерно 6MIPS. Кроме того, был введен новый режим — режим виртуального процессора i8086 (V86). В этом режиме могли одновременно выполняться несколько задач, предназначенных для i8086.
Первые i80386 пугали людей как своей работой, так и ценой. Intel решил выпустить продукт, более доступный пользователям с менее мощным (зато более дешевым) микропроцессором i80386SX (1988 г.). i80386SX имел внутреннюю полностью 32-разрядную архитектуру, но использовал 16-разрядную внешнюю шину данных и 24-разрядную адресацию. Индекс микропроцессора SX происходит от SIXTEEN (шестнадцать) в соответствии с разрядностью шины данных. Чтобы не путать микропроцессор i80386 с менее мощной микросхемой i80386SX, Intel переименовал i80386 в i80386DX.Первоначально математический сопроцессор, называемый также арифметическим сопроцессором, представлял собой специализированную интегральную схему, работавшую во взаимодействии с центральным микропроцессором. Данная микросхема была предназначена только для выполнения математических операций с плавающей точкой. Во всех микропроцессорах Intel от i80486DX и выше сопроцессор интегрирован на кристалл основного процессора.
Математический сопроцессор необходим при работе с векторной графикой (особенно трехмерной), электронными таблицами, пакетами САПР, специальными математическими пакетами и т.п. При работе же с базами данных или обычными текстовыми редакторами использование сопроцессора не дает ощутимых результатов. Он бесполезен и при работе с сетевыми операционными системами.
Первым математическим сопроцессором для персональных компьютеров IBM был i8087 компании Intel. Далее последовали i80287, i80387, i80487SX. Клоны сопроцессоров Intel выпускали такие фирмы, как ULSI, AMD, Cyrix (Texas Instruments), IIT, Chips. Начиная с процессоров пятого поколения, сопроцессор стал стандартным компонентом ядра процессора.Кэш-память (cache memory) — запоминающее устройство с малым временем доступа (в несколько раз меньшим, чем время доступа к основной оперативной памяти), используемое для временного хранения промежуточных результатов и содержимого часто используемых ячеек. Вообще кэшированием данных называется размещение данных в области памяти с более быстрым доступом. В качестве житейской аналогии можно привести библиотеку школьника, у которого нужные каждый день учебники лежат на рабочем столе, изредка читаемые классики стоят на книжной полке, а старые ненужные тетради сложены в ящиках. В случае необходимости время доступа к этим источникам будет разным, однако и вероятность того, что потребуется учебник или старая тетрадь, тоже разная.
В мире компьютерной памяти этот принцип применим потому, что более быстрая память обычно стоит существенно дороже более медленной, однако применение малого объема быстрой (но дорогой) кэш-памяти, в комплексе с большим объемом медленной (но дешевой) памяти, позволяет создать приемлемое по цене и скорости решение. Применение кэширования особенно эффективно, когда доступ к данным осуществляется преимущественно в последовательном порядке. Тогда после первого запроса на чтение данных, расположенных в медленной (кэшируемой) памяти можно заранее выполнить чтение следующих блоков данных в кэш-память для того, чтобы при следующем запросе на чтение данных почти мгновенно выдать их из кэш-памяти. Такой прием называется упреждающим чтением.
Упреждающее чтение применяется во всех современных жестких дисках, имеющих от 64 до 1024 Кбайт кэш-памяти, выполненной на основе динамической RAM (Random Access Memory — запоминающее устройство с произвольной выборкой). Считываемые с диска данные с некоторым запасом помещаются в кэш-память диска и определенное время там хранятся. При повторном обращении к тем же данным они считываются уже из кэш-памяти, что происходит в 10–1000 раз быстрее.
Кэширование данных применяется также в процессорах. Внутри кристалла процессора находится малый объем (от 1 до 1024 Кбайт) очень быстрой статической памяти, работающей на частоте процессора. Эта память используется для кэширования существенно более медленной оперативной памяти, выполненной на основе динамической RAM. Таким образом, в различных ситуациях одна и та же память может быть как кэшем, так и кэшируемой памятью.
Кэш-память также может быть организована в виде иерархической структуры. В случае процессоров семейства x86 характерно использование кэша первого уровня (Level 1 или L1-кэша), расположенного непосредственно на кристалле процессора, и более медленного кэша второго уровня (Level2 или L2-кэша), расположенного в другой микросхеме или вообще на другой плате. При этом кэш первого уровня кэширует L2-кэш, а тот, в свою очередь, кэширует еще более медленную оперативную память. В RISC-процессорах зачастую используется L3-кэш и кэш более высоких порядков.
Существуют различные алгоритмы работы кэш-памяти, которые очень сильно влияют на эффективность процедуры кэширования. Помимо кэширования операций чтения данных можно выполнять кэширование записи данных (это называется отложенной записью, или lazy write, для жестких дисков и обратной записью, или write back, для процессоров).
Применение отложенной записи еще больше увеличивает скорость работы диска, но повышает риск потери данных, которые не успели записаться из кэш-памяти в кэшируемую память, в случае внезапного краха системы.Микропроцессор i80486DX выпущен в 1989 г. В i80486 математический сопроцессор интегрирован в одном кристалле с основным процессором. С микропроцессором i80486 появилось понятие конвейеризации вычислений (глава «Архитектура микропроцессора i80x86»).
Микропроцессор i80486 стал дополняться внутренней кэш-памятью первого уровня (L 1).
Кэширование — это способ увеличения быстродействия системы за счет хранения часто используемых данных и кодов в так называемой «кэш-памяти первого уровня» (быстрой памяти), находящейся внутри микропроцессора. i80486 содержал блок встроенной кэш-памяти размером 8 Кбайт, который использовался для кэширования и кодов, и данных. Существовали модификации этого процессора: i80486SX, i80486DX, i80486DX2 и i80486SL. Тактовая частота до 120 МГц.

Миниатюры

     

   

3