Az Intel mikroprocesszorainak példája
Az Intel mikroprocesszorainak példája
A kommersz mikroprocesszorok gyártásában vezető Intel cég (USA) termékei kiválóan illusztrálják a Számítógépek konstrukciós fejlődése c. részben elmondottakat. Ezt a vállalatot 1968-ban alapították a MOS áramköri technológián alapuló tárolólapkák gyártásában nagy fantáziát látó új vállalkozók. 1969-ben hozták piacra a 256 bit kapacitású, ún. statikus típusú RAM áramkört, majd egy évvel később az 1 kbites, ún. dinamikus RAM változatot. Ez a vállalat jelent meg a legelső, mindössze 4 bites műveletvégzési képességű mikroprocesszorral is 1971-ben (Intel 4004). Első 8 bites mikroprocesszorukat 1972-ben hozták piacra. Ettől kezdve mindkét területen az élenjárók közé tartoztak. Ha a 80-as évek közepén a japán vállalatoknak nem sikerült volna a tárlapkák gyártásában megelőzni és kiszorítani a piacról az Intelt, akkor még ma is mind a tárolólapkák, mind a mikroprocesszorok gyártásában „a” vezető gyártó lenne. Így már „csak” a mikroprocesszorok gyártásában tekinthető annak.
Az Intel választékában a 8008, 8080 és 8085 típusú processzorok képviselik a 8 bites technikát, a 8086, 8088, 80186, 80188 és 80286 típusúak a 16 biteset, míg a 80386 típusszámú a 32 biteset. Az első 8 bites egységet mindössze 2000 tranzisztorral valósították meg, órafrekvenciája az 1 MHz-et sem érte el. Első 16 bites processzorukhoz már 29000 tranzisztort vettek igénybe, és 10 MHz-es változatban is piacra hozták. Az első 32 bites konstrukciót 275000 tranzisztorral valósították meg, és a belső működés sebességét 15 MHz-ig növelték.
Az egyes Intel processzorok jelentős mértékben javították a segítségükkel felépíthető mikroszámítógépek alapvető jellemzőit. Elsősorban az elvi tárkapacitás 16 kbájtról 64 Tbájtra (vagyis 4294967296-szorosára) növekedése a szembetűnő. Ez az elvi tárkapacitás a processzor programozói szintű felépítési rendszere által elvben megengedett maximális kiépíthetőséget jelenti. Különösen a 80386 processzor esetében és főként annak virtuális tára vonatkozásában igen nehéz lesz ezt az elvi határt elérni az adott mikroszámítógépekben. Az architektúrát ezért gyakorlatilag korlátok nélkülinek tekinthetjük.
A tárkapacitás gyakorlati megértéséhez abból kell kiindulni, hogy egy bájtban egy írásjelet lehet tárolni. A 8008 processzor fizikai tárában még csak legfeljebb 8 gépelt oldalnak megfelelő szöveg lehetett. A 80386 virtuális tárának elvi kapacitása viszont már akár 35 milliárd gépelt oldalnyi szöveg tárolását is lehetővé teszi. A 35 milliárd gépelt oldalnyi szöveg egy kb. 90 millió kötetes könyvtár információs állományának felel meg, míg a 8 gépelt oldal nem teszi ki egy átlagos könyv terjedelmének huszadrészét sem. Azt sem árt tudni, hogy a tár bármely rekeszéhez a másodperc egymilliomod részénél is rövidebb idő alatt tud hozzáférni a processzor. Minél magasabb a processzor órafrekvenciája, annál gyorsabb általában ez a hozzáférés.
Nagy különbség van az Intel processzorok között a gépi utasítások operandusai tekintetében is. A 8008, a 8080 és a 8085 processzorok utasításai szinte kivétel nélkül 8 bites adatukkal végzett műveletekre vonatkoznak (ún. 8 bites processzor). A 8086, 8088, 80186, 80188 és 80286 processzorok mind 8, mind pedig 16 bites adatokkal végzett műveleteket ismernek (ún. 16 bites processzor). A 80386 processzor utasításai pedig 8, 16 és 32 bites adatokkal egyaránt képesek műveleteket végezni (ún. 32 bites processzor). A processzor teljesítménye szoros összefüggésben van ezzel a jellemzővel: ha egy 16 bites processzoron pl. 32 bites adatokkal akarunk műveletet végezni, akkor ezt csak több utasítás egymásutánjával valósíthatjuk meg. A 32 bites processzoron viszont egyetlen gépi utasítás elegendő erre.
További különbség van a processzorok között a rendelkezésre álló gépi utasítások tekintetében is. A 8008 processzornak mindössze 48 utasítása volt, míg a 80386 már 229 utasítással rendelkezett. Emellett az újabb processzortípusok utasításainak már önmagukban is nagyobb a kifejező erejük, mivel a korábbiakban utasításszinten nem támogatott műveletek is megjelennek. Így a 80386 esetében megjelentek az információs bitekkel közvetlenül műveleteket végző utasítások, amelyek az előző processzorokban még nem voltak.
Az is jellemző, hogy ugyanazt az utasítást kevesebb óraciklus alatt hajtja végre a korszerűbb processzor. Az Intel 8086 és 8088 esetében kb. 16 óraciklusnyi időre volt szükség egy átlagos utasítás végrehajtásához. A 80286-os processzor ezt rendkívüli módon csökkentette, mivel mindössze 5,9 óraciklusnyi időt vett igénybe egy átlagos utasítás végrehajtása. A 80386-nál ez tovább csökkent (4,4 óraciklus), és figyelembe kell vennünk azt is, hogy ez a processzor 32 bites képességű, és tárrendszere is jóval tágasabb, hatékonyabb.
A hatékonyabb belső konstrukció miatt az igénybe vett tranzisztorok száma lényegesen több, mint ami az adott 16 és 32 bites architektúrák megvalósításához feltétlenül szükséges lett volna.
A 80286 és 80386 típusú processzorok új belső konstrukciós megoldásokkal növelik műveletvégző képességük hatékonyságát – ún. csővezeték (pipeline) architektúrát valósítanak meg. Ennek lényege, hogy az aktuális művelet végrehajtásával párhuzamosan történik a következő utasítások lehívása, dekódolása, adatainak lehívása és ellenőrzése, valamint a megelőző utasítás műveleti eredményének memóriába tárolása. Ahány szakasza van ennek a végrehajtási „csővezetéknek”, akkora a processzor működésében az átfedések száma és ennek megfelelően a sebességnövekedés. Minderről a programozónak természetesen nem kell tudnia.
Ezeket a belső konstrukciós megoldásokat korábban csak a nagyszámítógépek fejlesztői alkalmazták. Az egyetlen integrált áramköri lapkán megvalósítható tranzisztorok számának ugrásszerű növekedése azonban lehetővé tette, hogy az Intel 80286, ill. 80386 belső kialakítása már eleve a legkorszerűbb gyorsító megoldások igénybevételével történjék. Ezért is állhatott elő az a laikusok számára „érthetetlen” helyzet, hogy a 80386 mikroprocesszor ugyanazt a processzorteljesítményt nyújtja, mint a 70-es évek legnagyobb teljesítményű „nagyszámítógépe”, az IBM System 370 Model 168. Az Intel mikroprocesszorának ára azonban jelenleg mindössze 100–300 dollár (a rendelt mennyiségtől függően), szemben a 370/168 processzor millió dolláros nagyságrendű árával. Tovább növeli a hitetlenkedők táborát a két egység mérete közötti szembetűnő különbség. Amíg a 370/168 processzora több szekrénnyi teret betöltő berendezés volt, addig a 80386 egyetlen áramköri tokban foglal helyet, amelynek térfogata kisebb egy gyufásdoboznál.
A magyarázat roppant egyszerű. A 80386 tranzisztorait a méter egymilliomod részéhez közeli mérettartományban (1,5 mikron) alakították ki, így sokkal kisebb helyre volt szükség elhelyezésükhöz. A 370/168-hoz hasonlóan gyors kapcsolási sebességek elérése sem jelentett gondot a mikroelektronika legkorszerűbb színvonalán. Ami pedig az árat illeti: az igazi feladat a 80386 integrált áramközi tervezése volt. Az áramköri terv sikeres elkészülte után milliós sorozatban és gyakorlatilag elenyésző termelési költséggel folyik a gyártás.
A nagyobb teljesítmény a nagyobb órafrekvenciának és a hatékonyabb megvalósításnak egyaránt köszönhető. A processzor két regiszterében lévő értékek közötti összeadás pl. 4 óraciklust igényel a 8085-ön, 3 óraciklust a 8086-on és a 80186-on, a 80286-on és a 80386-on viszont mindössze két óraciklus szükséges ehhez. A másodperc egymilliomod részében, azaz µsec-ben megadva ez azt jelenti, hogy 2,0 µsec-ról (0,5 MHz-es 8008) 0,08 µsec-ra (25 MHz-es 80386) csökkent az összeadás ideje.
Más műveletek esetében lényegesen nagyobb mértékű a sebességnövekedés, nem beszélve arról, hogy a korábbi processzoroknak bizonyos műveletekhez nincsenek gépi utasításai. Az ilyen műveletek szoftveres úton való végrehajtása jóval hosszabb időt igényel. Így pl. a processzor regisztereiben lévő egész számok szorzásához a 8 bites processzoroknak nem voltak gépi utasításaik. Így nagyságrendnyi teljesítménynövekedést értek el a szorzás műveletének megfelelő gépi utasítás bevezetésével a 8086 (8088) processzorokon. Az ezt követő processzorokon egyre fokozták a szorzás végrehajtásának hatékonyságát. A 80386 processzor szerencsés esetben már akár 9 óraciklusnyi idő alatt is el tudja végezni ezt az összetett műveletet. 16 bites értékek szorzása így akár 44-szer gyorsabb is lehet egy tipikus 80386-os processzoron (16 MHz), mint egy tipikus 8086-os vagy 8088-as processzoron (5 MHz).
Végezetül a processzorok eddig nem említett funkcionális részének, az átviteli rendszernek a teljesítményéről kell szólni. A számítógépet alkotó fő egységek, a processzor, az operatív tár és a periferiális csatolók közös vezetékrendszert használnak az adatok közös vezetékrendszert használnak az adatok egymás között átvitelére. Ezt a megoldást nevezik a számítástechnikában busznak. (Az egyszerűen szintén csak busznak nevezett autóbusz – társas gépkocsi – a kézenfekvő analógia, bár a közös gyökér a latin omnibusz, azaz mindenkinek.)
Mivel a buszon folytatott átvitelek is a processzor órája által ütemezett elemi műveleteknek minősülnek, az átviteli rendszer teljesítménye is alapvetően két tényezőtől függ. Az egyik természetesen a processzor órafrekvenciája, a másik pedig a buszátvitelek konstrukciós rendszere. Az utóbbit az egy átvitelhez szükséges óraciklusok számával mérjük. Az újabb típusok jóval hatékonyabbak ebből a szempontból, mivel az Intel 80286-nak és 80386-nak mindössze 2 óraciklusra van szüksége egy átvitelhez, szemben a 8086 (és 8088) esetében szükséges 4 óraciklussal.
Az átviteli rendszer növekvő teljesítményének harmadik összetevője az egy buszművelettel átvihető adatok mérete. A 32 bites processzor akár 32 bitet is átvisz egyetlen buszciklus alatt, így átviteli teljesítménye ezzel a 16 bites 80286-énak duplájára emelkedett. Ez utóbbi pedig szintén kétszer akkora méretű adatokat képes átvinni a buszon, mint az Intel első 16 bites processzorának 8 bit szélességű adatbuszra tervezett változata, az IBM PC-kben is alkalmazott 8088. Így, minden tényezőt összevéve, az Intel első 16 bites PC-s változatú processzorának 1,25 Mbájt/sec átviteli sebességével szemben az első 32 bites Intel mikroprocesszor akár az 50 Mbájt/sec átviteli sebességet is el tudja érni a buszon.
A buszátvitelek sebességének ez a maximális értéke, ami csak akkor igaz, ha az adatokat a busz teljes szélességének kihasználásával viszi át a processzor. A 80386-os processzor pl. a 8 bites adatokat maximum 12,5 Mbájt/sec, a 16 bites adatokat pedig maximum 26 Mbájt/sec sebességgel képes átvinni. Az átvitel tényleges sebessége függ az alkalmazott memória sebességétől is. Lassú memória esetén a processzornak egy vagy több óraciklus ideig várakoznia kell, ami ennek megfelelő mértékben lassítja az átvitelt.
