2011. április 28., csütörtök

A mai számítógépek (IBM PC) felépítése (2. Bevezető - 8086-ostól a Core i7-ig)

Az előző bejegyzésben igyekeztem röviden (na ez nem sikerült) összefoglalni, milyen jelentős eredmények vezettek el odáig, hogy az Intel előállt a világon elsőként egy tokba integrált mikroprocesszorral 1971-ben.

Ám ez akkor még nem szólt akkorát, mint így utólag visszagondolva, akkoriban még nem igazán tudtak mit kezdeni a sokoldalú, általános célú számítóegységgel. Hogy hogyan lett egy kis számológép agyából napjaink gigászi számítási kapacitással rendelkező processzora? Ezt nézzük meg most!
Korábban említettem már, hogy az Intel a szorongató árverseny hatására új vizekre evezett, így a 4004-esnek hamar érkeztek az utódai: a 8008 és a 8080. Átütő piaci sikert ezekkel még nem sikerült elérni.

Az Intel miután egy sikertelen kísérletet tett a fő csapásvonal kialakítására (ez volt az Intel iAPX 432-es processzor, amely korát megelőzve magas szintű multitaszkot és memóriakezelést valósított meg hardveres alapokon, ám túl bonyolult szerkezete, vártnál gyengébb teljesítménye és magas ára miatt megbukott), újabb termékével már biztosra akart menni. Óriási erőkkel keresett vevőket a 8086-os (kódneve iAPX86 volt) és későbbi változata a 8088-as CPU számára, ám a legnagyobb dobása az volt, hogy végül ez a processzor került bele az IBM újként elstartoló személy számítógép platformjába, az IBM PC-be 1981-ben (azért, mert akkor az IBM-nek nem volt erre alkalmas, kész CPU-ja).

Az IBM PC


A piacot az első gépek megjelenésekor '81-ben még a Commodore PET, az Atari 8 bites gépei, a TRS80, CP/M gépek és az Apple II uralták. Hogy milyen piacra jött ki az IBM PC, azt jól érzékelteti, hogy 1981-es VIC-20 sikerei után 1982-ben jött ki a Commodore 64, amelynek olyan ipart forradalmasító hatása volt, hogy máig kultusz él a név körül (mellékesen 1993-ig gyártott modell volt és a valaha legtöbb eladott példányszámú számítógép, 17-25 milliós értékesítéssel). Szintén 1982-ben jött ki egy másik nagyöreg, a Sinclair ZX Spectrum, amely a ZX80 és ZX81 vonalát követve erős vetélytársa volt a C64-nek. 1981-hez köthető még az Apple III megjelenése is többek között.

Tehát nem volt könnyű dolga az IBM-nek, ráadásul a konkurensek fejlesztéseire reagálva rekordidő alatt (1 év), szinte a semmiből csapták össze a gépet a mérnökök: igyekeztek házon belüli vagy külső cégek sikeres kész megoldásait egybegyúrni, hogy a gép ára alacsony maradjon. Az Intel adta a gép alá a processzort, a Microsoft elkészítette az Intel 8088-cal kompatibilis BASIC fordítóját, az operációs rendszer pedig az akkor népszerű CP/M port QDOS módosított változata, a Microsoft-féle MS-DOS (amely írásakor még kész gépük sem volt, egy emulátoron tesztelték a kódot). Irónikus adalék a történethez, hogy az IBM által csomagolt DOS rendszerek PC-DOS névre hallgattak, melyek eleinte egy az egyben az MS-DOS kiadásai voltak, később e két változat külön utakon indult el.

A kész termékek becsomagolásával és minden technikai specifikáció kiadásával egy nyílt, egységes platformot alkotott az IBM PC, amibe özönlöttek be a kompatibilis szoftverek és hardvereszközök (később természetesen a klónok megjelenése és a harc nem kevés fejtörést is okozott nekik). Az ára viszonylag alacsony volt hála annak, hogy nem akartak mindent házon belül fejleszteni, a '60-as évek termeket megtöltő mainframe-jeinek teljesítménye pedig bekerült az otthonokba és irodákba. Ezek együttes eredménye volt az elsöprő siker, melynek hála a Microsoft, az IBM és az Intel is máig kitartó erős pozícióba került.

Innen hadd kapcsoljak egy kicsit gyorsabb fokozatra. Az IBM személyi számítógép üzletága összeforrott a Microsoft operációs rendszerei és az Intel processzorok fejlődésével. Ahogy a gépcsalád újabb generációi érkeztek (XT, PCjr, AT, PS/1), úgy ezek is fejlődtek (újabb MS-DOS változatok és az Intel 286, 386, 486).

1985-ben érkezett meg az Intel 386, amely a sikeres 286-os 32 bites bővítése volt. Ez került bele az IBM PS/1 családjába is a startkor (később Intel 486). Ezek a gépek PC-DOS-szal, majd később Windows 3.1-gyel kerültek a piacra.

1987-ben megjelenik a PS/2, melynek neve leginkább az egér és billentyűzet csatlakozóról lehet ismerős, nem is véletlenül. Bár ez a család a piacon nem volt elég sikeres ahhoz, hogy visszaszerezze a dominanciát az IBM számára a PC piacon (ekkorra a vetélytársak egyre inkább kezdték szorongatni és kicsúszott a kezéből a PC iparág), ám nagyon sok szabványt elterjesztett: ez volt a már említett PS/2 csatlakozó, az 1.44 MB-os kisfloppy vagy a VGA videoszabvány (az EGA-t váltotta), soros és párhuzamos portok. A család a '90-es évek elejéig futott. Egy 1988-as Model 70 konfiguráció 16-20 MHz-es 386-os processzort, akár 16 MB memóriát, 60 vagy 120 MB-os háttértárat és egy opcionális 80387-es társprocesszort a matematikai műveletekhez (a lebegőpontos számításokat gyorsította) jelentett. Operációs rendszere a (Microsoft-tal karöltve írt) saját fejlesztésű OS/2 volt (később a Microsoft kiszállt az együttműködésből az egyre népszerűbb Windows 3.x család miatt, és inkább arra koncentrált).

Intel 486 DX2 (duplázott belső órajel), nekem is ilyenem volt annó
Az Intel 486-os, nevében az első 80-as szám nélküli és az utolsó számozott Intel processzor 1989-ben érkezett meg. Integrálva tartalmazta a 386-os idejében megismert lebegőpontos társprocesszort (kivéve az SX és SL változat, amely így teljesítményben jócskán lemaradt). A fejlesztéseknek hála majdnem 2x gyorsabb volt a műveletvégző egysége mint a 386-osnak. Órajele 15-től 100 MHz-ig terjedt. Természetesen ebből a családból is készültek kompatibilis modellek más gyártóktól (IBM, AMD, Texas Instruments, Cyrix).

Az Intel Pentium első generációja


A legnagyobb dobás az asztali gépekbe szánt Intel CPU-k terén egyértelműen a Pentium (azaz a 80586-os) megjelenése volt 1993-ban. Nem csak azért, mert egy marketing szempontból jól csengő nevet kapott, hanem nagyon jelentős újításokat vezetett be (64 bites külső busz, adat és utasítás cache szétválasztása, szuperskalár-architektúra) és teljesítménye kiugróan jó volt, népszerűsége pedig óriási volt (pl. a Quake engine-ben külön a Pentium FPU-jára, azaz lebegőpontos számításokat végző egységére optimalizált kódok voltak szép számmal). Az MMX utasításkészlet-bővítéssel (1996) a multimédiás feladatokban jelentős előnyre tett szert (melyek akkoriban kezdtek egyre fontosabbá válni). Nem mellékes, hogy a kompatibilis processzorokat gyártó konkurensek közül az AMD elkészítette (1998) a maga továbbfejlesztett MMX-ét, amely a 3DNow! nevet kapta. Ebben a generációban a leggyorsabb modellek órajele 233 ill. 300 MHz volt.

Természetesen a siker nyomán érkezett az új generáció, a Pentium II képében (1997). Az Intel ekkor megváltoztatta a processzor tokozásának módját: az eddigi megoldás helyett, amikor sok kis lábbal illeszkedett a processzor a foglalatba, ezúttal mint egy bővítőkártyát kellett rácsatlakoztatni az alaplapra.

Pentium II az új foglalatos megoldással
A másodszintű gyorsítótár (Level 2 cache) egyúttal kikerült a magból a külső bővítőre és sebessége a processzorénak fele volt (a Pentium Pro esetében még azonos), mint az előző generációban. Ezzel jóval olcsóbb lett a gyártása is, mivel lassabb cache-t mellékeltek, és a külső cache javított a kihozatali arányon is. A Celeron család elindításával az alacsony teljesítményű szegmens is létrejött, ezek másodszintű gyorsítótára csökkentett vagy teljesen hiányzó volt.
Az eredeti Pentium II modellek 233 és 266 MHz-en futottak, de ezt később egészen 450 MHz-ig emelték, készült belőle Overdrive változat is amit a Pentium Pro tulajok a régi foglalatba tehettek.

A Pentium III család 1999-ben jelent meg, alapjaiban nagyon hasonlított a Pentium II-re, de már támogatta az SSE utasításkészlet-bővítést (ez a párhuzamosan ill. lebegőpontos számokon végzett műveleteket gyorsította főként). A későbbi energiahatékony Intel processzorok alapjaiul (Pentium M) ennek a generációnak a Tualatin magja szolgált, és nem a később érkező Pentium 4, mivel azok túl energiaéhesnek és melegedőnek bizonyultak mobil körülmények között.
450 és 500 MHz-es modellekkel startolt a generáció, de 2000 decemberében elrajtoltak a magasabb, egészen 1 GHz-ig terjedő órajelen futó modellek is.

Nagy presztízsveszteséget okozott az Intelnek, hogy az új 1.13 GHz-es órajelen futó modelljeiben hibát találtak, melynek javítása és a stabilitás növelése mintegy 6 hónapot vett igénybe, ráadásul a konkurens AMD ebben az időben már az 1.2 és 1.4 GHz-en futó modelljeit szállította.
Szintén negatív kicsengésű volt az ügy, amelyben többek között az Európai Parlament nyilatkozata és a szakmai körök felháborodása kényszerítette rá az Intel-t, hogy a processzorba épített sorszámot végül eltávolítsák (mivel ez felhasználók egyedi azonosítását és követését is lehetővé tette).


A kissé megtépázott renomét a Pentium 4 hivatott helyreállítani. 2000-től érkeztek a márkanévvel ellátott modellek, kezdeti órajelük 1.3 GHz volt, ám mivel a név jól csengett, sokáig nem cserélték le. 2004-től jöttek a 64 bites változatok és még 2008-ban is érkeztek ilyen nevű processzorok, az órajelet pedig egészen 3.8 GHz-ig tornászták fel! Ez volt az első olyan Pentium (a Pentium Pro óta), amely teljesen új architektúrát vezetett be (NetBurst), és nem az előző generációt fejlesztette csupán tovább. SSE2 és SSE3 utasításkészlet-bővítést kaptak a processzorok és megjelent a Hyper-Threading (HT) nevű technológia is, aminek a segítségével egy fizikai processzor két külön logikai egységként működik.

Az új architektúrával új problémák jelentkeztek. Az első, hogy a Pentium III-ra optimalizált alkalmazások sokszor nem igazán nyertek plusz teljesítményt az új generációval, viszont a hőtermelés sokkal nagyobb volt (a magas órajelű modellek akár 115 wattos TDP-t -durva közelítéssel max. teljesítmény felvétel- produkáltak). Ez később oda vezetett, hogy az új Core generáció és a mobil processzorok végül nem a NetBurst-re, hanem a korábbi Tualatin magra és a Pentium III architektúrára épültek.

A kezdetben csalódást okozó modellek (hasonló órajelű Pentium III-ak és Athlon-ok is gyorsabbak voltak nála) után a sikerek is érkeztek, mert a rohamos órajelemelésben végül túlszárnyalta a többiek teljesítményét, illetve folyamatosan pofozgatták a családot (busz órajelek emelése, több cache, majd végül több mag) ám a fent említett problémák miatt (magas fogyasztás és hőtermelés) az Intel is látta, hogy a következő generációt alapos újratervezéssel, más alapokra kell helyeznie.

Intel Pentium 4 (2.4 GHz)


2006-ban meg is érkezett a fejlesztések eredménye, az új Core 2 architektúra. Szimpla, dupla- és négymagos változatokban, alacsonyabb órajeleken (kezdetben 1.8-2 GHz) ám hatékonyabb végrehajtással, kisebb fogyasztással. Megjelent az SSE3 utasításkészlet-bővítés és a TDP érték 65 watt körülire (előző generációhoz képest felére) csökkent.

A kisebb fogyasztásnak hála ez a processzor a mobil változataival is sikert aratott. Teljesítménye, hatékonysága, és az Intel gyártástechnológiai és architekturália fölénye miatt ez a család a Pentium III és 4 éra váltakozó sikerű küzdelmei után ismét az Intel egyértelmű győzelmét hozta el a processzorok piacán.

Az ennél újabb architektúra pedig, ami napjaink technológiája, a Nehalem architektúra (Core i3, i5 és i7) amely 2008-ban rajtolt el. Magasabb órajelek (ismét 3 GHz felett), kisebb fogyasztás, a Core 2 családból kihagyott HT ismét megjelenik, 8 magos változata is készül és már támogatja az SSE4.2-es utasításkészlet-bővítést.

A 2011 elején érkezett Sandy Bridge kódnevű processzorok is a Core i modellek sorát bővítették (lényegében második generációs Core i-ről van szó). A processzorba integrált grafikus chip segítségével és az ehhez kapcsolódó optimalizációkkal mintegy kétszer gyorsabb lett az Intel integrált grafikai megoldása, elérhető lett ismét a 3.8 GHz-es határ és mintegy 5-10% plusz teljesítményt nyújt ugyanolyan órajel mellett a család az első generációs Core i modellekhez képest. Megjelent az új AVX utasításkészlet, ami az SSE-ből ered és tovább gyorsítja a lebegőpontos számításokat. Kisebb probléma lépett fel a SATA eszközök csatlakozásával amely a felhasználók kis részét érintette hardverhiba miatt, ám ez hamar megoldódott. Az év második felében vagy 2012 elején érkezik pedig az új generáció, az Ivy Bridge.

Ezzel elérkeztünk a jelenbe, a legújabb proceszorokig, a következő cikkünkben pedig rátérünk a sorozat lényegére, a hardverelemekre. Azok közül pedig mi mással is foglalkoznánk elsők között, mint a processzorral.

Források (szöveg és képek):
http://en.wikipedia.org
http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8088
http://en.wikipedia.org/wiki/CP/M 
http://lowendmac.com/orchard/06/ibm-pc-5150-origin.html
http://hu.wikipedia.org/wiki/MS-DOS 
http://en.wikipedia.org/wiki/IBM_PC_DOS
http://en.wikipedia.org/wiki/IBM_Personal_Computer
http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_P5 (Pentium)
http://en.wikipedia.org/wiki/Pentium_II 
http://en.wikipedia.org/wiki/Pentium_III
http://en.wikipedia.org/wiki/Pentium_4
http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_Core_i7 
http://en.wikipedia.org/wiki/Nehalem_(microarchitecture) 
http://en.wikipedia.org/wiki/Sandy_Bridge 

 

Nincsenek megjegyzések:

Megjegyzés küldése

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...