Ingat bagaimana komputer pertama anda dan bandingkan dengan komputer semasa anda. Mengapa setiap telefon pintar atau komputer berikutnya ternyata lebih berkuasa dan padat daripada yang sebelumnya? Jawapan kepada soalan ini boleh didapati dalam undang-undang Moore, yang menyatakan: "Bilangan transistor yang diletakkan pada cip litar bersepadu berganda setiap 24 bulan!" Kami bersedia untuk bertaruh bahawa ramai orang mendengar tentang undang-undang ini buat kali pertama dan, lebih-lebih lagi, tidak faham sama sekali apa yang kami bincangkan. Sementara itu, dia menyambut hari lahirnya yang ke-50. Dan sepanjang setengah abad yang lalu, elektronik telah dibangunkan dengan ketat mengikutnya. Tetapi adakah ia akan sentiasa seperti ini?

Pengawasan bertukar menjadi undang-undang

Undang-undang Moore diketahui oleh sesiapa sahaja yang terlibat dalam pengeluaran mikropemproses, memahami mikroelektronik dan litar mikro, atau mempunyai pemahaman yang baik tentang cara komputer berfungsi. Untuk menjelaskan maksud Hukum Moore kepada anda, kami akan merumuskannya secara berbeza, menggunakan mudah dan perkataan yang boleh difahami: Kuasa pengkomputeran dan prestasi komputer meningkat dua kali ganda setiap 24 bulan.

Sesungguhnya, komputer riba dan telefon pintar peribadi menjadi usang dengan cepat. Anda mungkin perasan: sebelum anda membeli model baharu, selepas beberapa ketika model yang lebih berkuasa, lebih pantas, dengan lebih banyak memori muncul. Pada masa yang sama, harga mereka tetap sama, dan jika ia meningkat, maka tidak banyak. Dan semua ini terima kasih kepada perkembangan teknologi.

Gordon Moore adalah salah seorang yang mengasaskan Intel Corporation pada tahun 1968. Untuk tujuh tahun pertama beliau adalah naib presiden eksekutif perbadanan itu. Kemudian presiden dan Ketua Pegawai Eksekutif Intel. Sehingga tahun 1997, beliau berkhidmat sebagai Pengerusi Lembaga Pengarah. Kini Gordon Moore yang berusia 87 tahun ialah pengerusi kehormat lembaga pengarah Intel Corporation dan tinggal di Hawaii.

Gordon Moore memperoleh undang-undangnya berdasarkan pemerhatian dan mengumumkannya pada tahun 1965. Dia menyedari bahawa setiap tahun kos satu transistor berkurangan, dan bilangan mereka pada satu cip berganda. Ini disebabkan oleh perkembangan pesat mikroelektronik dan keperluan yang semakin meningkat untuk komputer yang lebih berkuasa. Tetapi sepuluh tahun kemudian, Gordon Moore membuat perubahan kecil kepada undang-undangnya: bilangan transistor berganda setiap dua tahun.

Ini disebabkan oleh fakta bahawa pembangunan produk baru memerlukan wang tambahan dan perlu dipulihkan. Oleh itu, mengeluarkan produk baharu terlalu kerap tidak memberi masa yang cukup kepada syarikat untuk menjana wang daripada produk tersebut, dan mengeluarkan produk baharu terlalu jarang akan membuka jalan kepada pesaing. Agar syarikat itu tidak kekal dalam kerugian, purata emas diperlukan, yang ditemui oleh Moore.

Apa yang pada mulanya merupakan pemerhatian yang menarik kemudiannya menjadi peraturan dan undang-undang untuk keseluruhan industri, yang hidup dan berkembang mengikut mereka selama 50 tahun. Walau bagaimanapun, ramai pakar kini mengatakan bahawa hari Undang-undang Moore adalah nombor. Untuk mengetahui sama ada ini benar, anda perlu menjadi pakar kecil. Boleh kita cuba?

Bagaimanakah transistor berfungsi?

Jadi, litar bersepadu (sinonim: litar mikro, cip) adalah, seolah-olah, otak mana-mana peranti elektronik. Tidak sia-sia kami menggunakan perkataan otak, kerana cip itu juga mempunyai ingatan dan logiknya sendiri. Otak manusia menerima maklumat, memprosesnya, dan kemudian menghantarnya ke organ manusia yang lain. Sebaliknya, neuron otak melakukan ini menggunakan isyarat kimia dan elektrik. Cip, seperti otak, juga memproses, menyimpan dan menghantar maklumat menggunakan isyarat elektrik. Tetapi hanya peranan neuron dimainkan oleh transistor. Terima kasih kepada transistor, cip boleh melaksanakan arahan kami. Contohnya, kad bank, kad pengenalan, kad SIM mempunyai cip terbina dalam yang menyimpan pelbagai maklumat, memprosesnya, dan juga melakukan pelbagai operasi.

Oleh itu, transistor menentukan operasi keseluruhan litar bersepadu kerana ia menguatkan, menjana dan menukar isyarat elektrik. Dalam erti kata lain, transistor ialah elemen penguat. Ia membolehkan anda mengawal yang lebih kuat menggunakan isyarat yang lemah.

Untuk menjelaskannya, mari kita beri analogi. Menekan pedal pemecut (pedal gas) meningkatkan kelajuan kenderaan. Dalam kes ini, anda tidak perlu menekan pedal dengan kuat. Kuasa menekan pedal boleh diabaikan berbanding dengan kuasa yang dihasilkan oleh enjin. Semakin besar sudut kemurungan pada pedal, semakin banyak injap khas (kepak dalam karburetor) terbuka, yang mengawal jumlah campuran bahan api-udara yang dibekalkan kepada enjin, di mana ia terbakar, meningkatkan tekanan di dalam enjin. Akibatnya, kelajuan enjin dan kelajuan kenderaan meningkat.

Iaitu, pemecut boleh dipanggil elemen pengukuhan, yang, menggunakan tenaga lemah yang dibelanjakan oleh seseorang apabila menekan pedal, mengawal dan menukar tenaga yang lebih kuat, sumbernya adalah petrol.

Dalam transistor, semuanya berlaku dengan cara yang sama. Cuma bukan petrol yang melaluinya, tetapi arus elektrik.

Had fizikal

Seperti yang anda ingat, undang-undang Moore adalah hasil pemerhatian Encik Moore, yang, apabila merumuskannya, tidak memikirkan undang-undang matematik dan fizik. Oleh itu, untuk terus berfungsi, pengeluar perlu menguruskan untuk menjejalkan dua kali lebih banyak transistor ke dalam cip setiap dua tahun.

Malangnya, proses ini tidak berkesudahan, dan mengurangkan saiz transistor mempunyai hadnya. Ini disebabkan terutamanya oleh batasan fizikal: adalah mustahil untuk menjadikan elemen sangat kecil. Apabila transistor menjadi saiz beberapa atom, interaksi kuantum akan mula berkuat kuasa. Ini bermakna bahawa adalah mustahil untuk meramalkan pergerakan elektron, menjadikan transistor tidak berguna.

Tetapi masalah tidak akan berakhir di sana. Lebih banyak bilangan transistor dalam cip, lebih besar pelesapan haba. Seperti yang anda ketahui, suhu tinggi sangat mempengaruhi pengaliran semasa, yang sekali lagi boleh menyebabkan transistor tidak dapat digunakan.

Pada masa ini, saiz transistor terkecil ialah 22 nanometer dalam pemproses Intel Haswell (1 nanometer bersamaan dengan satu bilion meter, iaitu 10−9 meter). Intel masih berpotensi untuk mengurangkan lagi saiz transistor. Oleh itu, cip 10-nanometer sepatutnya muncul di pasaran pada separuh kedua 2017.

Setiap tahun, menggandakan transistor pada cip tidak lagi menjadikannya lebih murah. Dalam erti kata lain, mengikut undang-undang Moore tidak lagi menguntungkan pengeluar. Sesungguhnya, dengan setiap langkah baru, lebih banyak wang mula dibelanjakan untuk mengatasi halangan fizikal: bahan kompleks, peralatan ultra-moden, kakitangan saintis yang besar dan pada masa yang sama sejumlah besar litar mikro yang ditolak, kerana apabila mencipta super-nipis. wafer silikon kristal dengan transistor mikroskopik yang dibina ke dalamnya, walaupun kepada perubahan kecil yang tidak dapat dilihat kepada manusia, contohnya, getaran kerak bumi.

Jadi, lambat laun, undang-undang alam akan menamatkan penguasaan undang-undang Moore. Penghujung era perkembangan pesat transistor silikon diramalkan untuk 2020-2025. Apa yang seterusnya untuk komputer? Pakar meramalkan bahawa transistor 3D dan molekul akan muncul, dan dalam jangka panjang - yang kuantum.

Mikropemproses(MP) ialah peranti dikawal perisian yang direka bentuk untuk memproses maklumat digital dan kawalan proses pemprosesan ini dan dibuat dalam bentuk satu atau beberapa besar litar bersepadu(BIS).

Konsep litar bersepadu yang besar pada masa ini tidak ditakrifkan dengan jelas. Sebelum ini, dipercayai bahawa kelas ini harus memasukkan litar mikro yang mengandungi lebih daripada 1000 elemen pada cip. Sesungguhnya, mikropemproses pertama sesuai dengan parameter ini. Sebagai contoh, bahagian pemproses 4-bit kit mikropemproses K584, yang dihasilkan pada akhir 1970-an, mengandungi kira-kira 1,500 elemen. Sekarang, apabila mikropemproses mengandungi berpuluh-puluh juta transistor dan bilangannya sentiasa meningkat, dengan LSI yang kami maksudkan adalah kompleks yang berfungsi litar bersepadu.

Sistem mikropemproses(MPS) ialah produk lengkap dari segi fungsi yang terdiri daripada satu atau lebih peranti, yang asasnya ialah mikropemproses.

Mikropemproses dicirikan oleh sebilangan besar parameter dan sifat, kerana ia, di satu pihak, peranti pengkomputeran yang berfungsi kompleks, dan di sisi lain, peranti elektronik, produk industri elektronik. Sebagai satu cara teknologi komputer, ia dicirikan terutamanya olehnya seni bina, iaitu satu set sifat perisian dan perkakasan yang disediakan kepada pengguna. Ini termasuk sistem arahan, jenis dan format data yang diproses, mod pengalamatan, nombor dan pengedaran daftar, prinsip interaksi dengan RAM dan peranti luaran (ciri sistem gangguan, akses memori langsung, dll.). Mengikut seni bina mereka, mikropemproses dibahagikan kepada beberapa jenis (Rajah 1.1).

Mikropemproses sejagat direka untuk menyelesaikan masalah pemprosesan digital pelbagai jenis maklumat, daripada pengiraan kejuruteraan kepada bekerja dengan pangkalan data, tidak terikat dengan sekatan ketat pada masa penyiapan tugas. Kelas mikropemproses ini adalah yang paling terkenal. Ia termasuk mikropemproses yang terkenal seperti MP siri Pentium dari Intel dan MP keluarga Athlon dari AMD.

nasi. 1.1.

Ciri-ciri mikropemproses sejagat:

• kedalaman bit: ditentukan oleh kapasiti bit maksimum data integer yang diproses dalam 1 kitaran jam, iaitu, sebenarnya, kapasiti bit Unit logik aritmetik(ALU);
• jenis dan format data yang diproses;
• sistem arahan, mod pengalamatan operan;
• kapasiti RAM boleh alamat terus: ditentukan oleh lebar bit bas alamat;
• kekerapan jam luaran. Untuk kekerapan penyegerakan, nilai maksimum yang mungkin biasanya ditunjukkan, di mana operasi litar dijamin. Untuk litar kompleks yang berfungsi, yang termasuk mikropemproses, kadangkala kekerapan penyegerakan minimum yang mungkin juga ditunjukkan. Mengurangkan kekerapan di bawah had ini boleh mengakibatkan kegagalan litar. Pada masa yang sama, dalam aplikasi MP di mana prestasi tinggi tidak diperlukan, mengurangkan kekerapan penyegerakan adalah salah satu bidang penjimatan tenaga. Dalam beberapa mikropemproses moden, apabila frekuensi berkurangan, ia bertukar menjadi< спящий режим >, di mana ia mengekalkan keadaannya. Kekerapan jam dalam seni bina yang sama membolehkan anda membandingkan prestasi mikropemproses. Tetapi keputusan seni bina yang berbeza mempengaruhi prestasi lebih daripada kekerapan;
• prestasi: ditentukan menggunakan ujian khas, dan set ujian dipilih sedemikian rupa sehingga ia meliputi, jika boleh, pelbagai ciri seni bina mikro pemproses yang mempengaruhi prestasi.

Mikropemproses sejagat biasanya dibahagikan kepada CISC- Dan Mikropemproses RISC. mikropemproses CISC(Pengkomputeran Set Arahan Lengkap - pengiraan dengan sistem arahan lengkap) menggabungkan keseluruhan set arahan klasik dengan mod pengalamatan operan yang dibangunkan secara meluas. Kelas ini, sebagai contoh, mikropemproses jenis Pentium tergolong. Dalam masa yang sama Mikropemproses RISC(pengkomputeran set arahan yang dikurangkan - pengiraan dengan sistem arahan yang dikurangkan) gunakan, seperti berikut dari definisi, bilangan arahan yang dikurangkan dan mod pengalamatan. Di sini, pertama sekali, kita harus menyerlahkan mikropemproses seperti Alpha 21x64, Power PC. Bilangan arahan dalam set arahan adalah yang paling jelas, tetapi hari ini ia bukanlah perbezaan yang paling penting dalam arah pembangunan mikropemproses sejagat ini. Kami akan mempertimbangkan perbezaan lain semasa kami mengkaji ciri-ciri seni bina mereka.

Mikropengawal cip tunggal(OMK atau ringkasnya MK) bertujuan untuk digunakan dalam sistem automasi industri dan isi rumah. Ia adalah litar bersepadu besar yang merangkumi semua peranti yang diperlukan untuk melaksanakan sistem kawalan digital yang dikonfigurasikan secara minimum: pemproses (biasanya integer), memori arahan, memori data, penjana jam, peranti boleh atur cara untuk komunikasi dengan persekitaran luaran ( pengawal gangguan, pembilang pemasa, pelbagai port input/output), kadangkala penukar analog-ke-digital dan digital-ke-analog, dsb. Dalam sesetengah sumber, kelas mikropemproses ini dipanggil mikrokomputer cip tunggal (SMC).

Pada masa ini, dua pertiga daripada semua LSI mikropemproses yang dihasilkan di dunia adalah Ahli Parlimen kelas ini, dan hampir dua pertiga daripada mereka mempunyai kapasiti bit tidak melebihi 16 bit. Kepada kelas cip tunggal mikropengawal Pertama sekali, ini termasuk mikropemproses siri MCS-51 dari Intel dan mikropemproses serupa dari pengeluar lain, yang seni binanya telah menjadi standard de facto.

Ciri tersendiri seni bina mikropengawal cip tunggal:

• pemisahan fizikal dan logik memori arahan dan ingatan data (seni bina Harvard), manakala dalam seni bina Neumann klasik, program dan data dikongsi peranti storan dan mempunyai mekanisme akses yang sama;
• sistem arahan yang dipermudahkan dan berorientasikan tugas: MK, sebagai peraturan, tidak mempunyai alat pemprosesan data titik terapung, tetapi pada masa yang sama, sistem arahan termasuk arahan yang memberi tumpuan kepada kerja berkesan dengan sensor dan penggerak, contohnya, arahan untuk memproses maklumat bit;
• mod pengalamatan operan yang paling mudah.

Ciri-ciri utama mikropengawal(sebagai contoh, nilai berangka dibentangkan untuk MK-51):

1. Saiz bit (8 bit).
2. Kapasiti memori arahan dalaman dan memori data, kemungkinan dan had pengembangannya:
   • memori arahan dalaman - 4 KB (secara purata, arahan adalah 2 bait panjang, jadi program dengan panjang kira-kira 2000 arahan boleh disimpan dalam memori dalaman); boleh dikembangkan dengan menyambungkan memori luaran sehingga 64 KB;
   • memori data pada cip 128 bait (anda boleh menyambungkan memori luaran dengan jumlah kapasiti sehingga 64 KB).
3. Kekerapan jam:
   • frekuensi luaran 12 MHz;
   • frekuensi kitaran mesin 1 MHz.
4. Kemungkinan untuk interaksi dengan peranti luaran: kuantiti dan tujuan Port I/O, ciri-ciri sistem gangguan, sokongan perisian untuk interaksi dengan peranti luaran.

Ketersediaan dan ciri-ciri terbina dalam penukar analog-ke-digital(ADC) dan penukar digital-ke-analog (DAC) untuk memudahkan penyelarasan dengan penderia dan penggerak sistem kawalan.

Mikropemproses terbahagi(nama lain: mikroprogrammable dan bit-modular) ialah mikropemproses yang direka untuk membina pemproses khusus. Ia adalah bahagian mikropemproses dengan kapasiti yang agak kecil (dari 2 hingga 16) dengan akses pengguna kepada tahap kawalan program mikro dan cara untuk menggabungkan beberapa bahagian.

Organisasi ini membolehkan anda mereka bentuk pemproses dengan kapasiti yang diperlukan dan dengan sistem arahan khusus. Oleh kerana kapasiti bitnya yang rendah, bahagian mikropemproses boleh dibina menggunakan teknologi berkelajuan tinggi. Gabungan semua faktor ini memungkinkan untuk mencipta pemproses yang paling berorientasikan kepada kelas algoritma tertentu, baik dari segi sistem arahan dan mod pengalamatan, dan dalam format data.

Salah satu set pertama mikropemproses terbahagi ialah MP LSI daripada keluarga Intel 3000. Di negara kita, ia dihasilkan sebagai sebahagian daripada siri K589 dan 585. Elemen pemprosesan Siri ini ialah mikropemproses dua bit. Set mikropemproses terbahagi yang paling biasa ialah Am2900, yang berdasarkan bahagian 4-bit. Di negara kita, analog kit ini dihasilkan sebagai sebahagian daripada siri K1804. Kit termasuk BIS berikut:

• ALU keratan bit;
• blok pemindahan dipercepatkan;
• ALU keratan bit dengan sokongan perkakasan untuk pendaraban;
• jenis litar kawalan mikroprogram;
• pengawal keadaan dan syif;
• pengawal gangguan keutamaan.

Kelemahan utama sistem mikropemproses berdasarkan LSI mikropemproses terbahagi ialah kerumitan reka bentuk, penyahpepijatan dan sistem pengaturcaraan berdasarkannya. Penggunaan sistem arahan khusus menyebabkan ketidakserasian perisian yang dibangunkan untuk pelbagai mikropemproses. Keupayaan untuk mencipta pemproses khusus yang optimum dalam banyak aspek memerlukan kerja pembangun yang berkelayakan dalam jangka masa yang panjang. Walau bagaimanapun, perkembangan pesat teknologi elektronik membawa kepada fakta bahawa semasa reka bentuk pemproses khusus, mikropemproses sejagat telah dibangunkan, yang keupayaannya meliputi keuntungan hipotesis daripada mereka bentuk peranti khusus. Ini telah membawa kepada fakta bahawa pada masa ini kelas mikropemproses LSI ini boleh dikatakan tidak digunakan.

Pemproses Isyarat Digital, atau pemproses isyarat digital, ialah kelas mikropemproses yang berkembang pesat yang direka untuk menyelesaikan masalah digital. pemprosesan isyarat- pemprosesan isyarat audio, imej, pengecaman corak, dll. Ia termasuk banyak ciri mikropengawal cip tunggal: seni bina Harvard, arahan terbina dalam dan memori data, keupayaan lanjutan untuk bekerja dengan peranti luaran. Pada masa yang sama, ia mengandungi ciri Ahli Parlimen universal, terutamanya dengan seni bina RISC: organisasi saluran paip kerja, perisian dan perkakasan untuk melaksanakan operasi dengan titik terapung,sokongan perkakasan untuk pengiraan khusus yang kompleks, terutamanya pendaraban.

Sebagai produk elektronik Mikropemproses dicirikan oleh beberapa parameter, yang paling penting adalah yang berikut:

1. Keperluan penyegerakan: kekerapan maksimum, kestabilan.
2. Bilangan dan penarafan bekalan kuasa, keperluan untuk kestabilannya. Pada masa ini, terdapat kecenderungan untuk mengurangkan voltan bekalan, yang mengurangkan pelesapan haba litar dan membawa kepada peningkatan dalam kekerapan operasinya. Jika mikropemproses pertama beroperasi dengan voltan bekalan +-15V, kini litar individu menggunakan sumber kurang daripada 1 V.
3. Pelesapan kuasa- ini ialah kehilangan kuasa dalam peringkat keluaran litar, yang bertukar menjadi haba dan memanaskan transistor keluaran. Dalam erti kata lain, ia mencirikan kadar pelepasan haba LSI, yang sebahagian besarnya menentukan keperluan untuk reka bentuk sistem mikropemproses. Ciri ini penting terutamanya untuk MPS terbenam.
4. Tahap isyarat sifar logik dan satu logik, yang dikaitkan dengan penarafan bekalan kuasa.
5. Jenis kes - membolehkan anda menilai kesesuaian litar untuk operasi dalam keadaan tertentu, serta kemungkinan menggunakan LSI baharu sebagai pengganti yang sedia ada di papan.
6. Suhu ambien di mana litar boleh beroperasi. Terdapat dua julat di sini:
   • komersial (0 0 C ... +70 0 C);
   • dilanjutkan (-40 0 C ... +85 0 C).
7. Kekebalan bunyi- menentukan keupayaan litar untuk melaksanakan fungsinya dengan kehadiran gangguan. Kekebalan bunyi dinilai oleh keamatan gangguan di mana gangguan fungsi peranti masih belum melebihi had yang dibenarkan. Lebih kuat gangguan di mana peranti kekal beroperasi, lebih tinggi imunitinya terhadap gangguan.
8. Had muatan, atau faktor percabangan keluaran, ditentukan oleh bilangan litar siri yang sama, input yang boleh disambungkan kepada output litar tertentu tanpa mengganggu operasinya. Semakin tinggi kapasiti beban, semakin luas keupayaan logik litar dan semakin sedikit litar mikro sedemikian diperlukan untuk membina peranti pengkomputeran yang kompleks. Walau bagaimanapun, apabila pekali ini meningkat, imuniti bunyi dan prestasi merosot.
9. Kebolehpercayaan ialah keupayaan litar untuk mengekalkan tahap kualiti prestasinya di bawah keadaan tertentu dalam tempoh masa tertentu. Biasanya bercirikan kadar kegagalan(jam-1) atau masa min antara kegagalan (jam). Pada masa ini, parameter ini untuk litar bersepadu yang besar biasanya tidak ditentukan oleh pengilang. Kebolehpercayaan MP LSI boleh dinilai oleh penunjuk tidak langsung, contohnya, oleh kebolehpercayaan produk secara keseluruhan yang dipetik oleh pembangun teknologi komputer.
10. Ciri-ciri proses. Penunjuk utama di sini ialah penyelesaian proses. Pada masa ini ia adalah 32 nm, iaitu, kira-kira 30 ribu baris setiap 1 mm. Proses teknologi yang lebih maju memungkinkan untuk mencipta mikropemproses dengan fungsi yang lebih besar.

nasi. 1.2.

Kos pembuatan peranti menggunakan LSI mikropemproses dibentangkan dalam Rajah. 1.2. di sini:

1. kos pembuatan LSI (semakin tinggi tahap integrasi elemen pada cip, semakin mahal pengeluaran litar);
2. kos pemasangan dan persediaan sistem mikropemproses(dengan peningkatan dalam fungsi MP, lebih sedikit litar diperlukan untuk mencipta MPS);
3. jumlah kos sistem mikropemproses, yang terdiri daripada kos (1) dan (2). Ia mempunyai beberapa nilai optimum untuk tahap pembangunan teknologi tertentu;
4. peralihan kepada teknologi baharu (bilangan elemen yang berbeza pada cip akan menjadi optimum, dan jumlah kos produk dikurangkan).

Pada tahun 1965, Gordon Moore merumuskan hipotesis yang kini dikenali sebagai<закон Мура>, mengikut mana setiap 1.5-2 tahun bilangan transistor setiap satu litar bersepadu akan berganda. Ini dipastikan oleh peningkatan berterusan proses teknologi untuk pengeluaran litar mikro.

Syarikat yang paling maju dari segi teknologi, Intel, membezakan enam peringkat dalam kitaran hayat teknologi semikonduktor yang dicipta dan digunakan dalam perbadanan itu.

Peringkat terawal berlaku di luar Intel - di makmal universiti dan pusat penyelidikan bebas, di mana prinsip dan kaedah fizikal baharu sedang dicari yang boleh membentuk asas asas saintifik dan teknologi untuk tahun-tahun akan datang. Perbadanan membiayai penyelidikan ini.

Pada peringkat kedua, penyelidik Intel memilih kawasan yang paling menjanjikan untuk pembangunan teknologi baharu. Dalam kes ini, 2-3 pilihan penyelesaian biasanya dipertimbangkan.

Tugas utama peringkat ketiga ialah pembangunan kasar lengkap teknologi baharu dan demonstrasi kebolehlaksanaannya.

Selepas ini, peringkat keempat bermula, matlamat utamanya adalah untuk memastikan pencapaian nilai tertentu penunjuk teknikal dan ekonomi utama seperti hasil produk yang sesuai, kebolehpercayaan, kos dan beberapa yang lain. Penyiapan peringkat itu disahkan oleh pengeluaran kumpulan perindustrian pertama produk baharu.

Peringkat kelima ialah pembangunan industri teknologi baharu. Masalah ini tidak kurang kompleks daripada pembangunan teknologi itu sendiri, kerana sangat sukar untuk menghasilkan semula dengan tepat dalam keadaan pengeluaran sebenar apa yang diperoleh di makmal. Biasanya, di sinilah kelewatan berlaku dengan masa pengeluaran produk baharu, dengan pencapaian jumlah bekalan yang dirancang dan kos pengeluaran.

Peringkat terakhir, keenam kitaran hayat teknologi (sebelum meninggalkan penggunaannya) ialah kematangan. Teknologi matang, yang mengalami penambahbaikan tertentu untuk meningkatkan produktiviti peralatan dan mengurangkan kos pengeluaran, memastikan volum pengeluaran utama. Seperti yang baru, teknologi yang lebih maju diperkenalkan<старые>pengeluaran sedang dibubarkan.

Tetapi tidak serta-merta: pertama mereka dipindahkan ke pengeluaran litar mikro dengan kelajuan yang lebih rendah atau dengan lebih sedikit transistor, sebagai contoh, LSI persisian.

Ramai peminat teknologi komputer lama mengingati masa apabila frekuensi pemproses diukur dalam megahertz, dan pengeluar (iaitu, Intel dan AMD) cuba mengatasi satu sama lain dalam penunjuk ini. Kemudian tahap penggunaan kuasa dan pelesapan haba pemproses meningkat sehingga menjadi mustahil untuk meneruskan perlumbaan ini. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, bilangan teras pemproses mula meningkat, tetapi akibatnya, had telah dicapai apabila pertumbuhan ini menjadi tidak menguntungkan. Kini mendapat kuasa paling banyak per watt telah menjadi faktor utama dalam prestasi.

Semua perubahan ini tidak berlaku kerana pembangun berhadapan dengan had fizikal pembangunan selanjutnya pemproses sedia ada. Sebaliknya, prestasi dihadkan oleh fakta bahawa kemajuan dalam beberapa kawasan—terutamanya kecekapan tenaga—telah lebih perlahan daripada kemajuan dalam bidang lain, seperti kefungsian dan set arahan. Walau bagaimanapun, mungkinkah had fizikal pemproses dan kuasa pengkomputeran mereka kini hampir? Igor Markov dari Universiti Michigan meneliti soalan ini dalam makalah dalam jurnal Nature.

Memandangkan halangan

Markov menyatakan bahawa, berdasarkan batasan fizikal semata-mata, beberapa saintis telah mengira bahawa Undang-undang Moore akan bertahan selama beratus-ratus tahun. Sebaliknya, kumpulan Pelan Hala Tuju Teknologi Antarabangsa untuk Semikonduktor (ITRS) memberikannya beberapa dekad hayat. Walau bagaimanapun, ramalan ITRS boleh dipersoalkan: kumpulan itu sebelum ini meramalkan pemproses dengan frekuensi 10 GHz pada zaman cip Core2. Sebab percanggahan ini ialah banyak sekatan fizikal yang keras tidak pernah berlaku.

Sebagai contoh, had melampau pada saiz blok berfungsi ialah satu atom, yang mewakili had fizikal terhingga. Tetapi jauh sebelum had ini dapat dicapai, fizik mengehadkan keupayaan untuk mengawal aliran elektron dengan tepat. Dalam erti kata lain, litar berpotensi mencapai ketebalan satu atom, tetapi kelakuannya akan menjadi tidak boleh dipercayai lebih awal lagi. Kebanyakan kerja berterusan Intel untuk beralih kepada proses yang lebih nipis (transistor yang lebih kecil) adalah memikirkan cara untuk menstruktur komponen individu supaya mereka boleh terus berfungsi seperti yang dimaksudkan.

Intipati hujah Markov boleh difahami seperti berikut: Walaupun had fizikal yang keras wujud, ia selalunya tidak relevan dengan masalah yang menghalang kemajuan semikonduktor moden. Sebaliknya, kita berhadapan dengan sekatan yang lebih lembut yang selalunya boleh dielakkan. "Apabila kekangan tertentu menghalang kemajuan, memahami sifatnya adalah kunci untuk mengatasinya," tulisnya. “Sesetengah sekatan boleh diabaikan begitu sahaja, manakala yang lain kekal sebagai hipotesis dan hanya berdasarkan data empirikal; mereka sukar untuk ditubuhkan dengan tahap kepastian yang tinggi.”

Akibatnya, apa yang kelihatan sebagai halangan pembangunan sering diatasi dengan gabungan pemikiran kreatif dan teknologi yang dipertingkatkan. Contoh Markov ialah had difraksi. Pada mulanya, ia sepatutnya mengekalkan laser argon-fluorin daripada menggores sebarang struktur yang lebih nipis daripada 65 nanometer. Tetapi dengan pembelauan subwavelength, kami sedang mengusahakan struktur 14 nm menggunakan laser yang sama.

Di manakah had moden?

Markov memberi perhatian kepada dua isu yang dia anggap sebagai had terbesar: tenaga dan komunikasi. Isu penggunaan tenaga timbul daripada fakta bahawa jumlah tenaga yang digunakan oleh litar moden tidak berkurangan mengikut kadar pengurangan saiz fizikalnya. Hasil utama ini: usaha dibuat untuk menyekat bahagian cip apabila ia tidak digunakan. Tetapi dengan kadar semasa pembangunan pendekatan ini, pada bila-bila masa tertentu, kebanyakan cip tidak aktif - oleh itu istilah "silikon gelap."

Penggunaan tenaga adalah berkadar dengan voltan operasi cip, dan transistor tidak boleh beroperasi di bawah 200 mV. Sekarang voltan mereka adalah 5 kali lebih tinggi, jadi terdapat ruang untuk pengurangan. Tetapi kemajuan dalam mengurangkan voltan operasi telah menjadi perlahan, jadi kami mungkin sekali lagi mencapai had teknologi sebelum had fizikal.

Masalah penggunaan tenaga adalah berkaitan dengan isu komunikasi: kebanyakan volum fizikal cip dan kebanyakan penggunaan kuasanya dibelanjakan untuk interaksi antara blok yang berbeza atau seluruh komputer. Di sinilah kita benar-benar sampai ke had fizikal. Walaupun isyarat dalam cip bergerak pada kelajuan cahaya, cip melebihi 5 GHz tidak akan dapat menghantar maklumat dari satu sisi cip ke sisi yang lain. Perkara terbaik yang boleh kita lakukan, memandangkan teknologi moden, adalah cuba membangunkan cip di mana blok yang kerap bertukar data antara satu sama lain akan rapat secara fizikal. Memasukkan dimensi ketiga (iaitu, litar 3D) ke dalam persamaan mungkin membantu, tetapi hanya sedikit.

Apa yang akan datang?

Markov tidak begitu optimistik tentang perubahan yang akan datang. Dalam tempoh terdekat, beliau menjangkakan penggunaan tiub nano karbon untuk pendawaian dan sambungan optik untuk komunikasi untuk meneruskan trend membantu kami mengelak daripada bertembung dengan had fizikal. Walau bagaimanapun, beliau menyatakan bahawa kedua-dua teknologi ini mempunyai batasan mereka sendiri. Karbon nanotiub boleh menjadi kecil, sehingga satu nanometer diameter, tetapi terdapat had untuk saiznya. Dan foton, jika mereka hendak digunakan untuk komunikasi, akan memerlukan perkakasan dan tenaga.

Ramai orang meletakkan harapan mereka pada komputer kuantum, tetapi Markov bukan salah seorang peminat mereka. "Komputer kuantum, kedua-dua digital dan analog, menawarkan janji hanya untuk aplikasi khusus dan tidak menawarkan prestasi yang ketara dalam pengkomputeran tujuan umum kerana mereka tidak boleh dengan cepat melaksanakan pengisihan dan tugas khusus lain," hujahnya. Masalahnya juga ialah peralatan ini berfungsi paling baik pada suhu yang hampir kepada sifar mutlak, tetapi pada suhu bilik prestasinya sangat rendah.

Walau bagaimanapun, semua pengiraan bergantung sedikit sebanyak pada kesan kuantum, dan Markov percaya bahawa sesuatu yang berguna boleh diekstrak daripada sistem kuantum. "Peranti kuantum individu menghampiri had tenaga untuk bertukar, manakala peranti bukan kuantum kekal mengikut urutan magnitud." Jelas sekali, mencapai tahap kecekapan yang kecil dalam sistem kuantum boleh membuat perbezaan besar dalam penggunaan tenaga dalam keseluruhan cip.

Satu lagi had Markov fizikal: memadamkan sedikit maklumat mempunyai kos termodinamik yang tidak boleh dielakkan—pengiraan sentiasa menggunakan tenaga. Satu idea untuk mengelakkan had ini ialah "pengiraan boleh balik", di mana komponen dikembalikan kepada keadaan asalnya selepas pengiraan. Kaedah ini boleh, sekurang-kurangnya secara teori, membenarkan sebahagian daripada tenaga yang digunakan untuk dipulihkan.

Idea ini tidak sepenuhnya teori. Markov memetik kerja menggunakan litar superkonduktor (yang dia panggil "sangat eksotik") yang menyediakan tingkah laku boleh balik dan pelesapan tenaga di bawah had termodinamik. Sudah tentu, hanya 4 mikrokelvin digunakan di sini, jadi lebih banyak tenaga dibelanjakan untuk memeriksa kefungsian litar berbanding operasinya sendiri.

Di luar fizik

Walaupun fizik dan sains bahan meletakkan banyak had pada perkakasan, matematik mengehadkan apa yang boleh kita lakukan dengannya. Dan di sebalik reputasinya sebagai sains tepat, sekatan matematik jauh lebih samar daripada yang fizikal. Sebagai contoh, masih tiada jawapan kepada kesamaan kelas kerumitan P dan NP, walaupun bertahun-tahun berusaha. Walaupun kita boleh membuktikan bahawa sesetengah algoritma adalah paling berkesan untuk kes umum, ia juga mudah untuk mencari julat masalah yang pendekatan pengiraan alternatif berprestasi lebih baik.

Masalah terbesar yang Markov lihat di sini ialah perjuangan untuk mengekstrak lebih banyak keselarian daripada kod tersebut. Walaupun telefon pintar murah kini berjalan pada pemproses berbilang teras, tetapi penggunaannya masih tidak optimum.

Secara keseluruhan, nampaknya batasan utama adalah minda manusia. Walaupun Markov tidak melihat sebarang teknologi baharu yang hebat dalam perjalanan, dia optimis bahawa halangan semasa akan dihapuskan atau dielakkan melalui kemajuan dalam bidang lain.

Setiap atom di Alam Semesta, bukan hanya pelbagai objek makroskopik, mampu menyimpan maklumat. Tindakan interaksi antara atom boleh digambarkan sebagai operasi logik asas di mana bit kuantum—unit asas maklumat kuantum—menukar nilainya. Pendekatan Seth Lloyd yang paradoks tetapi menjanjikan membolehkan kita menyelesaikan secara elegan masalah komplikasi berterusan Alam Semesta: walaupun program rawak dan sangat pendek, apabila dilaksanakan pada komputer, boleh memberikan hasil yang sangat menarik. Alam Semesta sentiasa memproses maklumat - sebagai komputer kuantum yang besar, ia sentiasa mengira masa depannya sendiri. Malah peristiwa asas seperti kelahiran kehidupan, pembiakan seksual, dan kemunculan kecerdasan boleh dan harus dianggap sebagai revolusi berturut-turut dalam pemprosesan maklumat.

Teorem Margolus–Levitin menyatakan bahawa kekerapan maksimum sistem fizikal (sebuah elektron, contohnya) boleh beralih dari satu keadaan ke keadaan lain adalah berkadar dengan tenaga sistem; Semakin banyak tenaga yang ada, semakin sedikit masa yang diperlukan untuk elektron pergi dari sini ke sana. Teorem ini sangat umum. Baginya, tidak kira sistem mana yang menyimpan dan memproses maklumat; yang penting ialah berapa banyak tenaga dalam sistem untuk memproses maklumat ini. Pertimbangkan, sebagai contoh, atom dan elektron dalam komputer saya. Suhu mereka lebih tinggi sedikit daripada suhu bilik. Setiap atom dan elektron berayun, dan jumlah tenaga yang berkaitan dengan getaran tipikal kekal sama untuk atom dan untuk elektron. Tenaga setiap getaran hanya berkadar dengan suhu, sama ada kita bercakap tentang atom atau elektron. Oleh itu, kadar di mana elektron dalam komputer boleh bergerak dari satu keadaan ke keadaan lain, dari sini ke sana, atau dari 0 hingga 1, adalah sama dengan kadar di mana atom boleh bergerak dari satu keadaan ke keadaan lain. Elektron dan atom membalikkan bitnya pada frekuensi yang sama.

Teorem Margolus-Levitin menyediakan kaedah untuk mengira kekerapan maksimum di mana sedikit boleh menukar keadaan. Mari kita ambil jumlah tenaga yang ada untuk membalikkan sedikit, darab dengan 4, dan bahagikannya dengan pemalar Planck. Hasilnya, kami mendapat bilangan penyongsangan bit yang mungkin sesaat. Menggunakan formula ini pada atom dan elektron dalam komputer saya, kami mendapati bahawa setiap atom dan elektron yang bergetar mengubah keadaan dan bitnya kira-kira 30 trilion (30 x 1012) kali sesaat.

Kelajuan di mana atom dan elektron membalikkan bit mereka biasanya lebih cepat daripada kelajuan komputer konvensional melakukannya. Komputer yang saya taip meletakkan satu bilion kali lebih banyak tenaga untuk mengecas dan menyahcas kapasitor yang menyimpan bitnya daripada yang digunakan oleh atom dan elektron untuk mengayun dan menyongsangkan bitnya. Tetapi komputer saya 10,000 kali lebih perlahan daripada atom. Kelembapan komputer saya tidak bercanggah dengan teorem Margolus-Levitin. Teorem ini hanya memberikan had atas seberapa cepat sesuatu bit boleh mengubah keadaannya. Bit boleh melakukan ini lebih perlahan daripada kadar maksimum yang dibenarkan oleh teorem. Komputer kuantum, bagaimanapun, sentiasa menyongsangkan bitnya pada kelajuan maksimum.

Teorem Margolus–Levitin menetapkan had pada bilangan operasi asas (op) yang boleh dilakukan oleh bit sesaat. Katakan kita membiarkan tidak berubah jumlah tenaga yang tersedia untuk menukar keadaan bit, tetapi kini membahagikan tenaga itu antara dua bit. Setiap satu daripada dua bit ini akan menerima separuh tenaga daripada bit asal kami dan akan dapat beroperasi pada separuh kelajuan. Tetapi jumlah bilangan peralihan sesaat akan kekal sama.

Jika anda membahagikan jumlah tenaga yang ada antara sepuluh bit, maka setiap satu daripadanya akan berubah keadaan sepuluh kali lebih perlahan, tetapi jumlah bilangan peralihan sesaat akan tetap sama. Sama seperti ia tidak peduli dengan saiz sistem, teorem ini tidak "mengambil berat" tentang dari mana datangnya tenaga yang ada. Bilangan maksimum operasi sesaat ialah tenaga E, didarab dengan 4 dan dibahagikan dengan pemalar Planck.

Teorem Margolus–Levitin memudahkan untuk mengira kuasa komputer riba mutlak. Tenaga komputer riba mutlak yang tersedia untuk pengiraan boleh dikira menggunakan formula terkenal Einstein E = mc?, Di mana E- tenaga, m– jisim komputer riba, dan c- kelajuan cahaya. Dengan memperkenalkan jisim komputer mutlak kami (satu kilogram) dan kelajuan cahaya (300 juta meter sesaat) ke dalam formula ini, kami mendapati bahawa komputer riba mutlak mempunyai hampir 100 juta bilion (1017) joule tenaga yang tersedia untuk melakukan pengiraan. Untuk meletakkan hasil yang sama dalam bentuk tenaga yang lebih biasa, komputer riba mempunyai kira-kira 20 bilion (2 x 1013) kilokalori tenaga yang tersedia, yang bersamaan dengan 100 bilion batang gula-gula. Itu banyak tenaga.

Satu lagi persamaan biasa ialah jumlah tenaga yang dikeluarkan dalam letupan nuklear. Komputer riba mutlak mempunyai dua puluh megaton (20 juta tan TNT) tenaga yang tersedia untuk pengiraan. Ini adalah setanding dengan jumlah tenaga yang dikeluarkan apabila bom hidrogen yang besar meletup. Pada asasnya, apabila komputer riba mutlak kami melakukan pengiraan pada kelajuan tertinggi, menggunakan setiap kalori yang ada untuk menukar keadaan bit, ia kelihatan seperti letupan nuklear dari dalam. Zarah asas yang menyimpan dan memproses maklumat dalam komputer riba muktamad bergerak pada suhu satu bilion darjah. Laptop Ultimate adalah seperti sekeping kecil Big Bang. (Teknologi pembungkusan perlu membuat penemuan besar sebelum sesiapa sahaja mahu meletakkan komputer riba muktamad di pangkuan mereka.) Itu menambahkan sehingga sejumlah besar operasi yang boleh dilakukan oleh komputer kita yang kecil tetapi berkuasa: satu juta bilion bilion bilion bilion ( 1051) operasi sesaat. Intel mempunyai sesuatu untuk diperjuangkan.

Tetapi sejauh mana Intel perlu pergi? Pertimbangkan Undang-undang Moore: Sepanjang setengah abad yang lalu, jumlah maklumat yang boleh diproses oleh komputer dan kelajuan mereka memprosesnya meningkat dua kali ganda setiap lapan belas bulan. Pelbagai teknologi—yang terkini ialah litar bersepadu—telah menjadikan peningkatan kuasa pemprosesan maklumat ini mungkin. Tiada sebab mengapa Undang-undang Moore harus terus digunakan tahun demi tahun; ia adalah undang-undang kepintaran manusia, bukan undang-undang alam. Pada satu ketika, undang-undang Moore akan berhenti berfungsi. Khususnya, tiada komputer riba boleh mengira lebih pantas daripada komputer riba mutlak yang diterangkan di atas.

Tetapi berapa lamakah masa yang diperlukan oleh industri komputer untuk mencipta komputer riba muktamad pada kadar kemajuan teknologi semasa? Kuasa komputer meningkat dua kali ganda setiap tahun setengah. Dalam lima belas tahun ia berganda sepuluh kali ganda, iaitu, ia meningkat sebanyak tiga urutan magnitud. Dalam erti kata lain, komputer hari ini adalah satu bilion kali lebih pantas daripada mesin elektromekanikal gergasi hanya lima puluh tahun yang lalu. Komputer hari ini melakukan kira-kira trilion operasi logik sesaat (1012). Oleh itu (jika Undang-undang Moore bertahan sehingga itu), kami akan dapat membeli komputer riba terbaik di kedai sekitar 2205.

Jumlah tenaga yang tersedia untuk pengiraan mengehadkan kelajuan pengiraan. Tetapi kelajuan pengkomputeran bukanlah satu-satunya ciri yang menarik minat kita apabila kita membeli komputer riba baru. Sama pentingnya ialah jumlah ingatan. Apakah kapasiti cakera keras mutlak?

Bahagian dalam komputer riba muktamad dipenuhi dengan zarah asas yang bergoyang seperti gila pada satu bilion darjah. Teknik yang sama yang digunakan oleh ahli kosmologi untuk mengukur jumlah maklumat yang hadir semasa Big Bang boleh digunakan untuk mengukur bilangan bit yang ditangkap oleh buku nota mutlak. Zarah bergoyang buku nota mutlak menangkap kira-kira 10,000 bilion bilion bilion bit (1031). Itu banyak bit - lebih banyak daripada maklumat yang disimpan pada pemacu keras semua komputer di dunia.

Berapa lamakah masa yang diambil oleh industri komputer untuk merealisasikan spesifikasi memori komputer riba muktamad? Undang-undang Moore untuk kapasiti memori kini lebih cepat daripada Undang-undang Moore untuk kelajuan pengkomputeran: Kapasiti cakera keras meningkat dua kali ganda hampir setiap tahun. Pada kadar ini, ia hanya akan mengambil masa tujuh puluh lima tahun untuk mencipta cakera keras muktamad.

Sudah tentu, Undang-undang Moore hanya boleh digunakan selagi kepintaran manusia terus mencari cara baharu untuk menjadikan komputer lebih kecil. Sukar untuk terus mengurangkan saiz sambungan, transistor dan kapasitor, dan semakin kecil komponen komputer, semakin sukar untuk dikawal. Undang-undang Moore telah diisytiharkan mati berkali-kali sebelum ini disebabkan oleh satu atau satu lagi masalah teknikal yang bijak yang pada pandangan pertama kelihatan tidak dapat diselesaikan. Tetapi setiap kali, jurutera dan saintis yang licik menemui cara baru untuk memotong simpulan teknologi. Selain itu, seperti yang telah kami katakan, kami mempunyai bukti eksperimen yang boleh dipercayai bahawa komponen komputer boleh dikecilkan kepada saiz atom. Komputer kuantum sedia ada sudah menyimpan dan memproses maklumat pada peringkat atom. Pada kadar pengecilan semasa, Undang-undang Moore tidak akan mencapai tahap atom selama empat puluh tahun lagi, jadi beberapa harapan kekal dalam hal itu.

Mikropemproses 80386 ialah versi 32-bit penuh daripada mikropemproses 16-bit 8086/80286 sebelumnya dan mewakili kemajuan ketara dalam seni bina pemproses - perubahan daripada seni bina 16-bit kepada 32-bit. Seiring dengan peningkatan dalam kedalaman bit, terdapat juga banyak penambahbaikan dan ciri tambahan. Mikropemproses 80386 menyediakan: penukaran tugas, pengurusan memori yang dipertingkatkan, pengurusan memori maya dengan atau tanpa paging, perlindungan perisian dan keupayaan storan berkapasiti tinggi. Semua perisian yang ditulis untuk mikropemproses 8086/8088 dan 80286 warisan adalah serasi ke atas dengan mikropemproses 80386. Jumlah memori boleh alamat pada pemproses telah meningkat daripada 1 MB (untuk mikropemproses 8086/8088) atau 16 MB (untuk mikropemproses 80286) hingga 4 GB tersedia untuk pemproses 80386 dalam mod dilindungi. Mikropemproses 80386 boleh beralih daripada mod dilindungi ke mod sebenar tanpa tetapan semula keras mikropemproses, yang memakan masa dan diperlukan dalam kes pemproses 80286.

Mikropemproses 80486 ialah versi mikropemproses 80386 yang dipertingkatkan dan melaksanakan banyak arahannya dalam satu tempoh jam. Mikropemproses 80486 juga mempunyai cache L1 8 KB dalaman dan pemproses bersama matematik berprestasi tinggi bersepadu yang serasi perisian dengan pemproses bersama 80387. Ambil perhatian bahawa pemproses 80486DX4 mempunyai cache 16 KB. Mikropemproses 80486, beroperasi pada kelajuan jam yang sama dengan mikropemproses 80386, adalah 50% lebih berkuasa.

Mikropemproses 80386

Dua versi mikropemproses 80386 yang paling biasa ialah pemproses 80386DX, dan pemproses 80386SX yang dipermudahkan, yang mempunyai bas data 16-bit luaran, walaupun ia menggunakan bas 32-bit secara dalaman.

Pemproses 80386DX ditempatkan dalam pakej 132-pin PGA (pin grid array), iaitu pakej dengan susunan matriks pin. Versi mikropemproses yang lebih baharu 80386 - 80386EX mengandungi: unit kawalan bas AT, unit kawalan penjanaan semula RAM dinamik, unit pemilihan kristal boleh atur cara, pengawal gangguan, pengawal DMA, unit pemasa, unit penghantaran data bersiri, 26 alamat pin bas, 16 pin bas data .

Mikropemproses 80386DX, mempunyai bas data 32-bit dan bas alamat 32-bit, mampu menangani 4 GB memori fizikal. Mikropemproses 80386SX, seperti mikropemproses 80286, menangani memori 16 MB dan hanya mempunyai bas alamat 24-bit dan bas data 16-bit. Mikropemproses 80386SX direka bentuk selepas mikropemproses 80386DX untuk kegunaan yang tidak memerlukan versi penuh bas 32-bit. Mikropemproses 80386SX digunakan dalam banyak komputer peribadi yang menggunakan papan induk yang sama dengan mikropemproses 80286. Pada masa kebanyakan aplikasi, termasuk Windows, memerlukan memori kurang daripada 16 MB, pemproses 80386SX ialah versi 80386 yang popular dan lebih murah. mikropemproses Selepas itu, walaupun pemproses 80486 menjadi semakin murah untuk membina sistem pengkomputeran baharu, pemproses 80386 masih kekal dalam permintaan untuk banyak aplikasi untuk masa yang lama. Sebagai contoh, mikropemproses 80386EX, walaupun tidak digunakan dalam komputer peribadi, sangat popular dalam sistem terbenam.

Mikropemproses 80386, seperti versi sebelumnya bagi keluarga mikropemproses Intel, hanya memerlukan satu bekalan kuasa +5.0 V untuk beroperasi. Purata penggunaan semasa pemproses 80386 ialah: 550 mA untuk pemproses yang berjalan pada 25 MHz, 500 mA untuk pemproses berjalan pada 20 MHz dan 450 mA untuk pemproses yang berjalan pada 16 MHz. Di samping itu, terdapat versi pemproses 33 MHz, yang mempunyai penggunaan semasa 600 mA. Penggunaan semasa mikropemproses 80386EX ialah 320 mA apabila beroperasi pada frekuensi 33 MHz.

Penggunaan semasa pemproses semasa mod pengendalian tertentu boleh meningkat kepada 1.0 A. Ini bermakna bekalan kuasa dan litar pengagihan kuasa mesti direka bentuk untuk mengendalikan pancang arus ini. Pemproses mempunyai banyak pin V CC dan V SS, yang semuanya mesti disambungkan kepada sumber +5.0 V DC (V CC) dan dibumikan (V SS) untuk mikropemproses beroperasi dengan betul. Sesetengah pin pemproses ditetapkan N/C (tiada sambungan) dan tidak boleh disambungkan ke mana-mana. Sebagai tambahan kepada yang disebutkan, terdapat beberapa versi lain mikropemproses 80386SX dan 80386EX, yang mempunyai voltan bekalan yang dikurangkan sebanyak +3.3 V. Pemproses ini digunakan dalam komputer riba mudah alih atau komputer riba.

Sistem ingatan

Sistem memori fizikal yang boleh diakses oleh mikropemproses 80386DX mempunyai kapasiti 4 GB. Di samping itu, pemproses mempunyai sokongan sehingga 64 TB memori maya, dipetakan ke memori fizikal menggunakan unit pengurusan memori dan deskriptor. Perlu diingatkan bahawa pengalamatan maya membolehkan anda menggunakan program lebih daripada 4 GB dengan adanya kaedah pertukaran dan dengan kapasiti cakera keras yang besar. Dalam Rajah. Rajah 6.4 menunjukkan organisasi sistem ingatan fizikal mikropemproses 80386DX.

Memori dibahagikan kepada empat bank memori 8-bit, setiap satu dengan kapasiti sehingga 1 GB. Organisasi memori 32-bit ini membenarkan akses kepada bait, perkataan atau perkataan berganda. Mikropemproses 80386DX mampu memindahkan data 32-bit dalam satu kitaran memori, manakala mikropemproses 8088 memerlukan empat kitaran dan mikropemproses 80286 dan 80386SX memerlukan dua kitaran. Lebar data yang besar adalah sangat penting, terutamanya untuk nombor titik terapung ketepatan tunggal, yang menduduki 32 bit. Perisian termaju yang mencukupi menggunakan nombor titik terapung untuk menyimpan data, jadi sel memori 32-bit mempercepatkan pelaksanaan program jika ia ditulis dengan mengambil kira kapasiti memori.

Alamat setiap bait memori diwakili dalam tatatanda heksadesimal, seperti untuk versi pemproses sebelumnya. Perbezaannya ialah mikropemproses 80386DX menggunakan bas alamat 32-bit dengan memori boleh dialamatkan dalam julat 00000000H-FFFFFFFFH.

Kedua-dua bank memori dalam sistem yang dibina pada mikropemproses 8086, 80286 dan 80386SX diakses melalui isyarat BLE (A0 - pada 8086 dan 80286) dan BHE. Mikropemproses 80386DX mengakses bank memori menggunakan empat isyarat BE3 - BE0. Organisasi memori ini membolehkan anda mengakses satu bait apabila mikropemproses mengaktifkan satu isyarat daya.

Apabila dua isyarat daya diaktifkan, pemproses akan menangani perkataan tersebut. Dalam kebanyakan kes, apabila menangani perkataan, akses dibuat kepada bank 0 dan 1 atau kepada bank 2 dan 3. Sel memori 00000000Н berada di bank 0, sel 00000001Н berada di bank 1, sel 00000002Н berada di bank 2 dan sel 00000003 berada dalam bank 3. Mikropemproses 80386DX tidak mempunyai pin alamat A0 dan A1 kerana ia dinyahkod secara dalaman sebagai isyarat pemboleh bait. Begitu juga, mikropemproses 16-bit 80386SX tidak mempunyai pin alamat A0 kerana ia dinyahkodkan kepada isyarat BLE dan OUT. Mikropemproses 80386EX menangani perkataan data yang terletak di dua bank sistem memori 16-bit apabila isyarat BS8 adalah pasif (tahap tinggi logiknya) atau satu bait dalam sistem 8-bit apabila isyarat ini diaktifkan.

Kawalan daftar

Mikropemproses 80386 mempunyai daftar kawalan lain selain daftar bendera EFLAGS dan penunjuk arahan EIP. Daftar kawalan CR0 (daftar kawalan) adalah sama dengan daftar status mesin M.S.W.(perkataan status mesin) mikropemproses 80286, kecuali ia adalah daftar 32-bit dan bukannya daftar 16-bit. Daftar kawalan tambahan ialah CR1, CR2 dan CR3.

Dalam Rajah. 6.5. Struktur daftar kawalan mikropemproses 80386 ditunjukkan.

Daftar kawalan CR1 tidak digunakan dalam mikropemproses 80386, tetapi dikhaskan untuk produk masa hadapan. Daftar kawalan CR2 merekodkan alamat linear di mana kesalahan halaman memori terakhir diterima. Akhir sekali, daftar kawalan CR3 menangkap alamat pangkalan jadual halaman. 12 bit yang lebih rendah 0 hingga 11 daripada daftar 32-bit mengandungi sifar dan digabungkan dengan bit daftar yang tinggal untuk menentukan permulaan jadual halaman 4K.

Daftar CR0 mempunyai beberapa bit kawalan khas, yang dalam mikropemproses 80386 ditakrifkan seperti berikut:

Bit PG (paging enable) direka untuk memilih penukaran jadual halaman daripada alamat linear kepada alamat fizikal apabila PG = 1. Paging memori membenarkan anda untuk menetapkan sebarang sel memori fizikal kepada alamat linear.

□ ET

Bit ET (jenis sambungan) ialah penunjuk sokongan untuk arahan coprocessor matematik. Jika ET ialah 0, maka coprocessor 80287 dipilih, dan jika ET = 1, maka coprocessor 80387 dipilih. Bit ini ditambah untuk menggambarkan fakta bahawa sistem mempunyai coprocessor 80387.

Bit TS (suis tugas) menunjukkan bahawa mikropemproses telah melakukan suis tugas (menukar kandungan daftar tugas TR dalam mod dilindungi menetapkan bit TS). Jika bit TS ditetapkan, arahan coprocessor digital menghasilkan interrupt type 7 (coprocessor unavailable).

□ MAKAN

Bit EM (emulate coprocessor) ditetapkan untuk memanggil jenis interrupt 7 apabila cuba untuk melaksanakan setiap arahan ESC, iaitu, arahan yang berkaitan dengan coprocessor. Ini sering digunakan untuk emulasi perisian coprocessor. Emulasi mengurangkan kos sistem, tetapi arahan coprocessor yang dicontohi selalunya mengambil masa yang lebih lama untuk dilaksanakan, dengan faktor kira-kira 100.

Bit MP (monitor coprocessor) ditetapkan untuk mencetuskan gangguan jenis 7 apabila arahan tunggu dilaksanakan semasa bit TS ditetapkan.

□ RE

Bit PE (perlindungan membolehkan) ditetapkan untuk meletakkan mikropemproses 80386 ke dalam mod yang dilindungi. Ia juga mungkin menetapkan semula untuk memulakan urutan arahan yang agak panjang untuk beralih kepada mod pengendalian sebenar. Dalam mikropemproses 80286, bit ini hanya boleh ditetapkan. Mikropemproses 80286 tidak dapat kembali ke mod sebenar tanpa melakukan tetapan semula keras, yang menghalang penggunaannya dalam kebanyakan sistem yang menggunakan mod dilindungi.

Deskriptor dan pemilih

Sebelum kita membincangkan blok paging alamat, mari kita lihat pada deskriptor dan pemilih mikropemproses 80386. Mikropemproses 80386 menggunakan deskriptor dengan cara yang sama seperti mikropemproses 80286. Deskriptor dalam kedua-dua mikropemproses, ini ialah urutan lapan bait yang mengandungi maklumat tentang segmen memori dan lokasinya. Pemilih(kandungan daftar segmen) digunakan untuk mengenal pasti deskriptor yang dinyatakan dalam jadual deskriptor. Perbezaan utama antara mikropemproses 80286 dan 80386 ialah mikropemproses yang kedua mempunyai dua pemilih tambahan (FS dan GS), dan dua bait deskriptor yang paling ketara ditakrifkan untuk mikropemproses 80386. Perbezaan lain ialah deskriptor mikropemproses 80386 menggunakan alamat asas segmen 32-bit dan medan had segmen 20-bit dan bukannya alamat asas 24-bit dan medan had segmen 16-bit yang terdapat dalam mikropemproses 80286.

Mikropemproses 80286 menangani kawasan memori 16 MB dengan alamat asas 24-bitnya dan mempunyai panjang segmen 64 KB dengan medan had 16-bitnya. Mikropemproses 80386 menggunakan alamat asas 32-bit untuk menangani kawasan memori 4 GB, dan saiz segmen ditentukan oleh medan had 20-bit yang digunakan dalam dua cara berbeza. Bit kebutiran G (kebutiran) deskriptor atau, dengan kata lain, bit pecahan menentukan unit ukuran untuk saiz segmen: jika G = 0, saiz ditentukan dalam bait, dan jika G = 1, maka dalam 4K muka surat. Oleh itu, saiz segmen dengan medan had 20-bit boleh menjadi 1 MB atau 4 GB, masing-masing.

Bit butiran G telah diperkenalkan ke dalam deskriptor sejak mikropemproses 80386. Jika bit G = 0, maka nilai yang disimpan dalam medan had dianggap secara langsung sebagai had saiz segmen, membenarkan akses kepada mana-mana rantau 00000H-FFFFFG 1 segmen MB. Jika bit G = 1, maka nombor yang disimpan dalam medan had ditafsirkan sebagai 00000XXXH-FFFFFXXXH, dengan XXX mempunyai sebarang nilai antara 000H dan FFFH. Ini menyediakan akses kepada saiz segmen daripada 0 bait hingga 4 GB dalam ketulan 4 KB. Nilai had 00001H menunjukkan bahawa had saiz sektor ialah 4 KB apabila bit G ialah 1, atau 1 bait apabila bit G ialah 0. Contohnya ialah segmen bermula pada alamat fizikal 10000000H. Untuk nilai had 00001H dan G bit = 0, segmen ini bermula pada 10000000H dan berakhir pada 10000001H. Jika bit G = 1 pada nilai had yang sama (00001Н), maka segmen bermula dalam sel 100000000Н dan berakhir pada 10001FFFH.

Dalam Rajah. Rajah 6.6 menunjukkan bagaimana mikropemproses 80386 menangani segmen memori dalam mod terlindung menggunakan pemilih dan deskriptor. Pengalamatan yang ditunjukkan adalah sama dengan cara mikropemproses 80286 menangani segmen. Perbezaannya ialah saiz segmen yang tersedia untuk mikropemproses 80386. 13 bit yang paling ketara (bit 15-3) pemilih digunakan untuk memilih deskriptor daripada jadual deskriptor. Bit penunjuk jadual TI (penunjuk jadual) (bit 2 pemilih) menunjukkan jenis jadual deskriptor: setempat jika bit TI = 1, atau global jika bit TI = 0. Dua bit bawah RPL (tahap keistimewaan yang diminta) (bit 1- 0) daripada pemilih menentukan Tahap keistimewaan yang diminta untuk mengakses sektor tersebut.

Oleh kerana pemilih menggunakan kod 13-bit untuk mengakses pemegang, setiap jadual (tempatan atau global) mengandungi maksimum 8192 pemegang. Memandangkan saiz segmen yang mungkin untuk mikropemproses 80386 mencapai 4 GB, 16,384 segmen boleh diakses pada satu masa menggunakan dua jadual deskriptor. Semua ini membolehkan mikropemproses 80386 menyokong memori maya sehingga 64 TB (1 TB = 1024 MB). Sudah tentu, sistem memori dengan kapasiti hanya sehingga 4 GB benar-benar boleh wujud. Jika program pada satu ketika memerlukan memori lebih daripada 4 GB, maka data yang diperlukan boleh dipam ke dalam sistem memori dari pemacu cakera atau beberapa peranti storan besar yang lain.

Mikropemproses 80386 menggunakan jadual deskriptor untuk global ( GDT) dan tempatan (LDT) deskriptor. Jadual deskriptor ketiga digunakan oleh deskriptor sampukan ( DAPAT) atau injap(pintu gerbang). Enam bait pertama deskriptor mikropemproses 80386 adalah sama seperti mikropemproses 80286, memberikan keserasian perisian ke atas dengannya. Dua bait tinggi deskriptor mikropemproses 80286 telah dikhaskan dan mengandungi nilai 00H. Deskriptor untuk mikropemproses 80286 dan 80386 ditunjukkan dalam Rajah. 6.7.

Deskriptor mikropemproses 80386 mengandungi alamat asas 32-bit, medan had segmen 20-bit dan bit kebutiran G yang menentukan pengganda had segmen (1 atau 4K kali) atau, sebaliknya, sama ada had dinyatakan dalam bait (G = 0) atau muka surat. 4K (G = 1). Berikut ialah tujuan medan deskriptor mikropemproses 80386:

□Pangkalan (B31-B0)

Medan Base mentakrifkan alamat 32-bit asas (bermula) bagi segmen dalam ruang alamat fizikal 4 GB mikropemproses 80386.

□ Had (L19-L0)

Medan Had menentukan saiz segmen maksimum dalam bait jika bit butiran G = 0, atau dalam halaman 4K jika G = 1. Ini membolehkan anda mempunyai sebarang saiz segmen dari 1 bait hingga 1 MB jika bit G ialah 0 atau dari 4 KB hingga 1 GB jika bit G ialah 1. Perlu diingatkan bahawa hadnya menunjukkan bait terakhir dalam segmen.

□Hak akses

Medan Hak Akses menentukan tahap keistimewaan dan maklumat lain mengenai segmen tersebut. Bait ini berbeza untuk jenis deskriptor yang berbeza dan ditentukan untuk setiap bait tersebut.

Bit kebutiran G (kebutiran) memilih pengganda 1 atau 4K untuk medan had segmen. Jika bit G = 0, maka pengganda ialah 1, jika bit G = 0, maka pengganda ialah 4K.

Bit D (saiz lalai) menentukan saiz lalai bagi operan dan daftar yang digunakan. Jika D = 0, maka 16 bit, seperti dalam mikropemproses 80286; jika D = 1, maka 32 bit, seperti dalam mikropemproses 80386. Bit ini menentukan sama ada awalan diperlukan untuk data 32-bit dan daftar indeks. Jika D = 0, maka awalan diperlukan untuk mengakses daftar 32-bit dan untuk menggunakan penunjuk 32-bit. Jika D = 1, maka awalan diperlukan untuk akses kepada daftar 16-bit dan untuk penunjuk 16-bit. Atribut use16 dan use32 yang digunakan dengan arahan segmen dalam bahasa himpunan mengawal tetapan bit D. Operasi dunia sebenar sentiasa menganggap daftar adalah 16-bit, jadi sebarang arahan yang dialamatkan oleh daftar atau penuding 32-bit mesti diberi awalan.

Bit AVL (tersedia) tersedia untuk sistem pengendalian dan boleh digunakan olehnya jika perlu. Ia tidak digunakan atau dihuraikan oleh pemproses dan bertujuan untuk digunakan oleh program aplikasi.

Terdapat dua jenis deskriptor: deskriptor segmen kod dan data, dan deskriptor segmen sistem. Deskriptor pertama mentakrifkan segmen data, tindanan dan kod. Deskriptor segmen sistem direka bentuk untuk menyimpan maklumat tentang jadual sistem, tugasan dan get.