Sentrale verwerkingseenheid

Intel 80486DX2 mikroverwerker in ‘n PGA keramiekpak

‘n Sentrale verwerkingseenheid (SVE), of hoofverwerkingseenheid is die komponent in 'n digitale rekenaars wat instruksies en data in rekenaarprogramme vervat vertaal en verwerk SVEs verleen die fundamentele eienskap van programeerbaarheid aan rekenaars saam met primêre stoorgeheue en toevoer/afvoer fasiliteite. 'n SVE wat vervaardig word deur van geïntegreerde stroombane gebruik te maak staan ook as 'n mikroverwerker bekend. Sedert die middel sewentigs het enkelskyf mikroverwerkers byna alle ander soorte SVE's vervang.

Die vorm, ontwerp en implementering van SVE's het dramaties verander sedert die vroegste voorbeelde, maar hul fundamentele bedryf is basies nog dieselfde.

Vroë SVE's was pasgemaakte dele van 'n groter en gewoonlik unieke rekenaar. Pasgemaakte SVE's word deesdae min gebruik en word gestandardiseerde veeldoelige verwerkers eerder gebruik. Hierdie neiging tot standardisasie het reeds begin in die tydperk van transistor hoofraam- en minirekenaars en het vinnig versnel vandat geïntegreerde stroombane bekend gestel is.

Geskiedenis

EDVAC, een van die eerste rekenaars met elektronies gestoorde programme.

Die eerste rekenaars soos ENIAC moes fisies herbedraad word om verskillende take uit te voer. Hierdie masjiene is dikwels na verwys as vaste-program rekenaars, aangesien hulle fisies heropgestel moes word om 'n ander program te kon uitvoer. Sedertien word die begrip SVE gebruik om te verwys na 'n toestel vir die uitvoer van programmatuur. Die vroegste toestelle wat met reg SVE's genoem kon word, kon eers aangetref word in die eerste rekenaars met gestoorde programme.

Die idee van 'n gestoorde-program rekenaar was reeds teenwoordig in die ENIAC se ontwerp, maar is aanvanklik uitgelaat sodat die masjien vroeër klaargemaak kon word. Op 30 Junie 1945 selfs voordat ENIAC voltooi was, het John von Neumann 'n konsepverslag versprei oor die EDVAC. Daarin het hy die ontwerp van 'n gestoorde-program rekenaar se ontwerp uitgelê wat toe uiteindelik in Augustus van 1949 voltooi is. EDVAC is ontwerp om 'n verskeidenheid soorte instruksies (of verwerkinge) uit te voer. Hierdie instruksies kon gekombineer word om nuttige programme te vorm. 'n Uitstaande eienskap van die ontwerp was dat die programme wat vir EDVAC geskryf was, in hoēspoed rekenaargeheue gestoor was eerder as om die bedrading van die rekenaar aan te pas. Hierdie eienskap het die ernstige beperking van die ENIAC oorkom, wat meegebring dat baie inspanning geverg is om die rekenaar her op te stel sodaat dit ander take kon uitvoer. Met Von Neuman se ontwerp, kon die programmatuur wat EDVAC uitgevoer het, eenvoudig verander word deur die inhoud van die rekenaargeheue aan te pas.

Al word Von Neumann dikwels krediet gegee vir die ontwerp van die gestoorde-program rekenaar is dit belangrik om te onthou dat andere, soos Konrad Zuse, reeds voor hom soortgelyke idees geopper het. Verder het die Harvard-argitektuur van die Harvard Mark I wat voor EDVAC voltooi is, ook 'n gestoorde-program benut al was die program op papier ponsriem gestoor eerder as in elektroniese geheue. Die sleutelverskil tussen die Von Neumann en Harvard-argitektuur was dat laasgenoemde die stoor en verwerking van SVE-instruksies en data geskei het, terwyl eersgenoemde dieselfde geheuespasie vir beide gebruik het. Die meeste moderne SVE's word hoofsaaklik volgens Von Neumann se stelsel ontwerp, maar bevat ook elemente van die Harvard-argitektuur.

SVE's is digitale toestelle wat slegs met diskrete toestande werk en vereis daarom skakelelemente om tussen hierdie toestande te kan onderskei. Voor die kommersiële aanvaarding van die transistor is elektriese wisselaars en vakuumbuise algemeen gebruik as skakelelemente. Al het hierdie elemente besliste voordele bo vroeëre suiwer meganiese ontwerpe gehad was hulle om verskeie redes onbetroubaar en was die vroeëre elektroniese rekenaars oor die algemeen minder betroubaar as elektromeganiese rekenaars al was hulle baie vinniger. Vakuumbuisrekenaars soos EDVAC was geneig om net ongeveer agt uur lank te werk voor hulle gefaal het en weer moes herstel word, terwyl die elektromeganiese masjiene soos die Harvard Mark I baie selde gefaal het. Uiteindelik het vakuumbuis gebaseerde rekenaars egter die oorhand gekry omdat die spoedvoordele die betroubaarheidsprobleme ver oorskry het. Die klokfrekwensie van hierdie vroë sinkrone SVE's was egter baie laag in vergelyking met vandag se moderne rekenaars. Klokseinfrekwensies wat gewissel het tussen 100 kHz tot 4 MHz was algemeen op die stadium en was hoofsaaklik beperk tot die skakelspoed van die komponente waarmee hulle gebou is.

Diskrete transistor en Geïntegreerde stroombaan SVE's

SVE, Kerngeheue en eksterne bus koppelvlak van 'n MSI PDP-8/I.

Die kompleksiteit van SVE-ontwerpe het toegeneem soos wat verskeie nuwe tegnologieë dit moontlik gemaak het om kleiner en meer betroubare elektroniese toestelle te bou. Die eerste sodanige verbetering het plaasgevind met die aankoms van die transistor. Transistor SVE's het dit moontlik gemaak om betroubare SVE's op een of verskeie gedrukte stroombaanborde met diskrete komponente daarop te bou. Die volgende groot ontwikkeling was die geïntegreerde stroombaan wat dit moontlik gemaak het om 'n groot aantal transistors op 'n enkele halfgeleier gebaseerde skyf te vervaardig. Eers was dit slegs moontlik om baie basiese nie-gespesialiseerde digitale stroombane soos NOF-hekke te vervaardig. SVE's wat uit sulke boublokke saamgestel was, word na verwys as kleinskaalse integrasietoestelle. Kleinskaalse geïntegreerde stroombane soos dié wat in die Apollo begeleidingsrekenaars gebruik is, het bestaan uit resistors wat in meervoude van tien getel kon word. Om 'n volle SVE uit kleinskaal geïntegreerde stroombane te bou het steeds duisende indiwiduele skyfies geverg maar was nogtans 'n groot sprong bo die transistor gebaseerde SVE's in terme van die kragverbruik en spasieverbruik. Tegnologiese vordering in die vervaardiging van geïntegreerde stroombane het daartoe gelei dat honderde en later duisende transistors (Mediumskaal- en grootskaalse integrasie) op 'n enkele silikonskyf geplaas kon word en meegebring dat die aantal geïntegreerde stroombane (GS) wat benodig was om 'n SVE te bou verminder kon word. In 1964 het IBM hulle System/360 rekenaarargitektuur bekendgestel wat in 'n reeks rekenaars gebruik is wat dieselfde programme met verskillende snelheid en verrigting kon uitvoer. Dit was 'n betekenisvolle stap op daardie tydstip toe die meeste elektroniese rekenaars nie met mekaar versoenbaar was nie, selfs al is hulle deur dieselfde vervaardiger gebou. Om hierdie verbetering moontlik te maak het IBM die konsep van 'n mikroprogram gebruik, wat steeds in moderne SVE's gebruik word. Die System/360 argitektuur was so gewild dat die die hoofraamrekenaarmark vir die daaropvolgende dekades gedomineer het en 'n nalatenskap daargelaat wat voortgesit is in soortgelyke moderne rekenaars soos die IBM zSeries.

In daardie selfde jaar (1964) het Digital Equipment Corporation (DEC) 'n ander invloedryke rekenaar bekendgestel wat gemik was op die wetenskaplike en navorsingsmarkte, naamlik die PDP-8. DEC sou later die baie gewilde PDP-11 reeks bekendstel wat aanvanklik gebou is met behulp van Kleinskaalintegrasie Geïntegreerde stroombane maar toe later met Grootskaalse integrasie stroombane gebou is toe dit beskikbaar geword het. In skrille kontras met sy Kleinskaalse- en Mediumskaalse ingegrasie voorgangers, het die eerste Grootskaalse integrasie weergawe van die PDP-11 'n SVE bevat wat slegs uit vier geïntegreerde stroombane (GIS) bestaan het.

Transistorgebaseerde rekenaars het verskeie beduinde voordele bo hul voorgangers gehad. Buiten dat hulle verhoogde betroubaarheid en laer kragverbruik in die hand gewerk het, het transistors dit ook vir SVE's moontlik gemaak om teen baie hoër snelhede te werk vanweë die korter skakeltyd van 'n transistor vergeleke met 'n buis of relê. Danksy die verhoogde betroubaarheid en die dramatiese verhoogde snelheid van die skakelelemente, is SVE's kloksnelhede van etlike tien megahertz in die tydperk verkry. Terwyl diskrete transistor en GIS SVE's al meer alledaags geword het, het nuwe hoë werkverrigtingontwerpe soos Enkelinstruksie Veelvuldige Data vektorverwerkers ook hul verskyning begin maak. Hierdie vroeëre eksperimentele ontwerpe het later gelei tot die era van gespesialiseerde superrekenaars soos dié wat deur Cray Inc. vervaardig word.

Mikroverwerkers

Die Intel 80486DX2 mikroverwerker (werklike grootte: 12×6.75 mm) in sy verpakking

Die bekendstelling van die mikroverwerker in die 1970's het die ontwerp van SVE's beduidend beïnvloed. Sedert die bekendstelling van die eerste mikroverwerker (die Intel 4004) in 1970 en die eerste algemeen gebruikte mikroverwerker (die Intel 8080) in 1974, het hierdie klas SVE's bykans alle implementerings van verwerkingseenhede vervang.

Die bekendstelling van die mikroverwerker in die 1970's het die ontwerp van SVE's beduidend beïnvloed. Sedert die bekendstelling van die eerste mikroverwerker (die Intel 4004) in 1970 en die eerste algemeen gebruikte mikroverwerker (die Intel 8080) in 1974, het hierdie klas SVE's bykans alle implementerings van verwerkingseenhede vervang. Soos die vermoë om al hoe kleiner transistors op GIS'e te bou het die kompleksiteit en aantal transistors op 'n enkele SVE dramaties toegeneem. Hierdie waargenome neiging staan alom bekend as Moore se wet, wat tot op datum 'n akkurate vooruitskatting was vir die groeiende vermoëns van SVE's (en ander GIS'e).

Terwyl die kompleksiteit, grootte, bou en algemene vorm van SVE's drasties verander het oor die afgelope sestig jaar, is dit interessant dat die basiese ontwerp en funksie nie veel verander het nie. Bykans alle algemene SVE's van vandag kan baie noukeurig as Von Neumann gestoorde program masjiene beskryf word.