Processzorok

A processzor (CPU) a számítógép központi feldolgozó egysége, amely a központi vezérlőegységből (CU - Control Unit ) és az aritmetikai-logikai egységből ( ALU - Aritmetical Logical Unit ) áll. Feladata az operatív tárban binárisan kódolt gépi utasítások végrehajtása. Teljesítményét MIPS-ben (Million Instruction Per Second), illetve FIPS-ben (million Floating point Instruction Per Second) szokták meg­adni.

Az ALU feladata egyrészt a gépi utasításokhoz szükséges elemi műveletek végrehajtása, másrészt a tárak  címeinek a kiszámítása. Legfontosabb része egy összeadó áramkör, de logikai műveletvégzésre, léptetésre (stb) alkalmas részei is vannak.

A CU feladata a gépi utasítások (amelyeket az operatív tárban kódolt formában helyeztünk el) végre­haj­tásának vezérlése, irányítása és ellenőrzése vezérlőjelek kibocsátásával és fogadásával. Ilyen vezérlő jelek pl.: Mreq-meória kérés, Irq-megszakítás kérés, az ALU indítása, stb.

Az az integrált áramkör chip, amellyel a mikroprocesszor-ipar megszületett, a 8080-as mikroprocesszor volt, amit 1974-ben mutatott be az Intel. Az Intelt követően a Zilog Corporation megalkotta a Z80-ast, amely kompatibilis volt a 8080-assal, de bővebb volt az utasításkészlete és kétszer olyan gyorsan működött. Ezzel elkezdődött a mikroprocesszorok háborúja. Erre az időre esik a mikroszámítógépek tömeges elterjedése, először csk egy BASIC interpreterrel, majd később a CP/M-mel, mint operációs rendszerrel.

1978-ban az Intel, más gyártók gyorsabb és hatásosabb mikroprocesszorai miatt áttért a 16 bites 8086-os architektúrára. A 8086-os mikroprocesszor a 8080-as utódjaként jelent meg és utasításkészlete sokkal bővebb volt. Azok a programok, amelyeket a 8080-asra írtak, nem voltak futtathatók a 8086-oson, habár majdnem minden 8086-os mikroprocesszorra írt utasítás megfelelt egy 8080-as utasításnak. Sőt, a 8080-as utasításai szimulálhatók voltak két-három 8086-osra írt utasítással. A 8080-asra írt assembler progra­mokat egy Intel fordítóprogrammal konvertálták 8086-s assembler programokká. Az új hardverhez új operációs rendszer kellett, aminek kifejlesztésébe az IBM bevonta a Microsoft-tot is. Ahhoz nem volt elég idő, hogy egy teljesen új rendszert dolgozzanak ki, tehát a már létező UNIX-ból, illetve a CP/M-ből tákoltak össze egyet, a DOS-t. Arról szó sem lehetett, hogy a UNIX-ot illesszék a 8086-os CPU-hoz, ehhez annak teljesítménye még nem volt elég. Megszületett tehát az IBM XT, a mai PC-ink őse, Intel 8086-os processzorral és DOS operációs rendszerrel.

Mint korábban már említettük, a kompatibilitás iránti igény jellemezte az Intel törekvését a mikro­processzor-piacon, még ma is, a mikro­proceszszorok minden új generációját jelentő típusain futtat­hatók az előző generációra írt programok.

A szoftverkompatibilitás, mint fő cél mellett, az Intel fejlesztéseiben a korábbi, nagyobb gépeken létező programozási technikák, szoftverfejlesztési és üzemeltetési módszerek hardver támogatását is igyekezett megvalósítani. Már a 8086-os mikroprocesszorral bevezették pl. a szegmentálást a mikroprocesszorok világába is. A szegmens egy olyan memóriablokk, amely lehetővé teszi a programok logikai részekre bontását.

Amikor a 8086-os mikroprocesszor megjelent, a legtöbb mikroszámítógép 64 kbyte-os volt és senki sem gondolta volna, hogy a szegmensek 64 kbyte-os felső korlátja hamarosan komoly problémává válik. Bár a 8086-os lehetővé tette a mikroszámítógépek memóriájának kihasználását 1Mbyte-ig, vagyis 16 helyett 20 bites mutatókat használt, ez a 16 bites mikroszámítógépeken olyan méret- és teljesítménybeli hátrá­nyok­kal járt, amit a legtöbb programozó nem akart megfizetni. Ezért újabb memóriamodelleket dolgoz­tak ki, hogy javítsák a teljesítményt. A 8086-os család tagja a 8087-es koprocesszor. Azok a mik­ro­számítógépek, amelyek tartalmazták mind a 8086-os processzort, mind pedig a 8087-es ko­pro­cesszort, több alapvető tudomán­yos feladat megoldására voltak képesek, mint a 8086-os egyedül. A lebe­gőpontos műveletek hardveres megvalósí­tása jelentősen növelte a matematikai műveletek elvég­zé­sé­nek teljesítményét a szoftveres megol­dásokhoz képest.

A következő fejlődést jelentő Intel processzor 1982-ben a 80286-os volt. A 80286-os processzor kom­patibilis a 8086-ossal, de a paramétereit tekintve teljesítménye sokkal jobb. 24 bites címzést használ, valós és védett üzemmódban működik. A 80286-os valós üzemmód utánozza (emulálja) a 8086-os műkö­dé­sét. Védett üzemmódban a 80286-os végrehajtja a 8086-os utasításait, de új lehetőségekkel is rendel­kezik, mint például a multitaszking és az adatvédelem és a virtuális címzés lehetősége. Az új architektúrát AT-nek nevezték el. A 80286-oshoz kifejlesztették a 80287-es koprocesszort, de annak a teljesítménye alig jobb a 8087-esé­nél.

Az IBM PC/AT és kompatibilis gépek központi egysége a 80286-os processzor, amely 5-10-szer gyor­sabb az XT-beli 8088-as egységnél. A 80286-os lehetőségeit azonban sohasem használták ki. Anélkül múlt ki, hogy a korábbi DOS-os felület lényegesen megváltozott volna. Bár megjelent a WINDOWS is, de még nem mint önálló operációs rendszer, hanem mint a DOS kernel fölött futó shell. A CISC filozófiából eredő hátrányok miatt ekkor egy ideig úgy látszott, hogy a kiút csak a RISC technika lehet, azonban nem így történt.

Az Intel 32 bites mikroprocesszora, a 80386-os:

A tervezőmérnököknek két problémával kellett szembenézniük: az egyik a kompatibilitás, a másik a tel­jesítmény. Meg kellett tartaniuk a kompatibilitást az előző generáció processzoraival, hogy meg­tart­hassák helyüket a PC piacon. Ugyanakkor az új processzorban meg kellett oldaniuk a 8086-os család archi­tekturális problémáit is. A megoldást a 80386-os processzor a többféle (három) üzemmódban való mű­köd­tetési lehetőségével nyújtotta: betöltéskor valós üzemmódú, és tulajdonképpen nem több, mint egy nagyon gyors 8086-os, regiszterei 16 bitesek, 8086-os címzésmódot használ és maximálisan 1Mbyte me­mó­riát kezel.

Ugyanakkor 80386-os processzor védett üzemmódba átkapcsolva minden szegmensnél egy bittel határozza meg, hogy 16 bites (80286-os kódokat tartalmazó) vagy 32 bites szegmensről van-e szó.. Védett üzemmódban az operációs rendszer feladatokat indíthat 8086-os virtuális üzemmódban. Az a prog­ram, amelyet így indítottak, úgy érzékeli, mintha egy 8086-os processzoron vagy valós üzem­mód­ban futna. A 80386-os mikroprocesszor koprocesszora a 80387-es.. A 80387-es koprocesszor megközelítőleg ötször akkora sebességgel hajtja végre a lebegőpontos művele­teket, mint a 80287-es. A WINDOWS, még mindig erősen a DOS-ra támaszkodva ugyan, de már sokkal jobban (de még mindig nem eléggé) kihasználja a hardvert ezekkel a processzo­rokkal.

1989-ben jelent meg a család újabb tagja, a 80486-os processzor. Architekúrája alapvetően meg­egyezik a 80386-oséval, de azon túlmenően a következő új lehetőségeket tartalmazza: a legtöbb alap­uta­sí­tást egy órajel alatt hajtja végre (RISC filozófia!), egy 8KByte-os gyorsító memóriát (cache) tartalmaz a gyakran használt memóriarekeszek gyors eléréséhez, továbbá tartalmaz egy beépített koprocesszort, vagyis a lebegő­pontos műveletvégzés beépitésre került. A 80486-os processzort már úgy tervezték, hogy azzal többproce­sz­szo­ros számí­tógépek könnyen építhetők. A 80486-os CPU-k még megérték, hogy a DOS-t, ami lényegében még mindig egy 8086-os-ra elgondolt (igaz, hogy annál lényegesen gyorsabb) szoftver környezetet biztosít, végre kiszorítja a WINDOWS 95, ami önálló operácós rendszernek tekinthető.

A következő generáció a PENTIUM processzor, (mai változata a P-4-es).amely kompatibilis a 80386/80486-os processzorokkal. A PENTIUM pro­cesszoros rend­szer ötször gyorsabb a 80486DX-33 CPU-nál, órafrekvenciája és buszsebessége 60-66 Mhz, az adat­busza 64 bites, a beépített cache mérete: 256KB.

A legújabb PENTIUM-ok már tartalmaznak olyan gépi utasításokat is, amelyek multimédia alkalmazások esetén hardver segítséget jelentenek az ilyen programoknak. Ezeket MMX-es processzoroknak nevezzük.

A PENTIUM család processzoraival a mikroprocesszorok olyan teljesítményt értek el, amely alkalmassá teszi őket olyan operációs rendszerek illesztésére is, mint pl. a UNIX.

Ma már a mikroprocesszorok teljesítménye megközelíti, illetve túlszár­nyalja a korábbi mainframe-ek tel­jesítményét. A két, egymástól lényegesen eltérő fejlesztési filozófia közül (CISC és a RISC) mára úgy tűnik, hogy a CISC került ki győztesen, de legújabb modelljeiben egyre több olyan jellemzőt találunk, amelyek RISC tulaj-donságokat mutatnak, feladva a korábbi modellekkel való teljes kompatibilitás szigorú CISC-elvét.