Η ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΩΝ

Η ΕΜΦΑΝΙΣΗ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΩΝ

Το αποτέλεσμα της εμφάνισης της τεχνολογίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ήταν η ενσωμάτωση σε ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα όλης της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας, η οποία βέβαια θα έπρεπε να προγραμματίζεται για να περιέχει τις βασικότερες λειτουργίες ενός ψηφιακού υπολογιστή. Το κύκλωμα αυτό ονομάστηκε Mικροεπεξεργαστής. Η μνήμη του βρίσκεται σε αρκετά ολοκληρωμένα κυκλώματα περιορισμένων αποθηκευτικών δυνατοτήτων, τα οποία το συνοδεύουν. Επίσης υποστηρίζεται και από μια πλειάδα α) ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για να διασυνδέεται κατάλληλα και με τον εξωτερικό κόσμο μια και δεν έχει ενσωματωμένες αυτές τις δυνατότητες και β) ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, που επιτελούν τις λειτουργίες χρονισμού και προώθησης δεδομένων στον τελικό τους προορισμό. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων τις τελευταίες δεκαετίες έδωσε τη δυνατότητα να μπορούν να ενσωματωθούν σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα όλο και πιο πολύπλοκα κυκλώματα (από τον πρώτο μικροεπεξεργαστή, που είχε 2 χιλιάδες τρανσίστορς, έχουμε φτάσει πλέον σε επεξεργαστές με πάνω από 7 εκατομμύρια τρανσίστορς σε ένα και μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα) με αποτέλεσμα τη γρήγορη ανάπτυξη των μικροεπεξεργαστών και την ολοένα και πιο συχνή χρήση τους τόσο σε πολύπλοκες υπολογιστικές συσκευές όσο και σε απλές οικιακές συσκευές ή συστήματα ελέγχου.

Ο τρόπος κατασκευής των ΚΜΕ άλλαξε σημαντικά στην δεκαετία του 70, όταν κατασκευάστηκαν οι πρώτοι επεξεργαστές από ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα μεγάλης ολοκλήρωσης. Επειδή μειώθηκε εκ νέου το μέγεθος, οι νέοι επεξεργαστές ονομάστηκαν μικροεπεξεργαστές, ενώ σήμερα ο όρος "ΚΜΕ" αναφέρεται αποκλειστικά σε αυτούς. Το μικρότερο μέγεθος μείωσε επίσης και τον χρόνο μεταγωγής λόγω των φυσικών παραγόντων. Έτσι οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές έχουν συχνότητα ρολογιού που κυμαίνεται από εκατοντάδες megahertz έως αρκετά gigahertz. Παράλληλα, αυξήθηκε η πολυπλοκότητα και ο αριθμός των τρανζίστορ που αποτελούσαν ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα. Ο ρυθμός αύξησης των τρανζίστορ περιγράφεται από τον νόμο του Μουρ, που ισχύει μέχρι σήμερα και προβλέπει τον διπλασιασμό του αριθμό των τρανζίστορ, που ενσωματώνονται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, κάθε 18 μήνες.

Αν και η πολυπλοκότητα, το μέγεθος, η κατασκευή, και η γενική μορφή των επεξεργαστών έχει αλλάξει ριζικά τα τελευταία εξήντα χρόνια, είναι αξιοσημείωτο ότι ο βασικός σχεδιασμός και η λειτουργία τους δεν έχει αλλάξει σε μεγάλο βαθμό. Σήμερα σχεδόν όλες οι κοινές ΚΜΕ μπορούν να θεωρηθούν ως μηχανές φον Νόημαν. Καθώς ο νόμος του Μουρ εξακολουθεί να ισχύει, έχουν εκφραστεί ανησυχίες σχετικά με τα όρια της τεχνολογίας ολοκλήρωσης κυκλωμάτων με τρανζίστορ. Οι μεγάλες σμικρύνσεις των ηλεκτρονικών πυλών έχουν ξεπεράσει προβλήματα που παλαιότερα προκαλούνταν από τα υλικά κατασκευής. Νεότερες όμως ανησυχίες προκαλούν τους ερευνητές να διερευνήσουν νέες μεθόδους υλοποίησης υπολογισμών, όπως ο κβαντικός υπολογιστής, καθώς και να διευρύνουν την χρήση του παράλληλου υπολογισμού και άλλων μεθόδων που επεκτείνουν την χρησιμότητα της υπάρχουσας αρχιτεκτονικής φον Νόημαν.

Ιστορική Αναδρομή

Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής έκανε την εμφάνιση του στις αρχές του 1972, σχεδόν τρεις δεκαετίες μετά από τους πρώτους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Η εξέλιξη των μικροεπεξεργαστών θυμίζει πολύ την αντίστοιχη εξέλιξη των μεσαίων υπολογιστών. Όπως δηλαδή οι σχεδιαστές των μεσαίων υπολογιστών μετέφεραν σε αυτούς τις ιδέες τους από τη σχεδίαση μεγάλων συστημάτων, έτσι και οι σχεδιαστές των μικροεπεξεργαστών υιοθέτησαν πολλά στοιχεία της οργάνωσης και της αρχιτεκτονικής των μεσαίων και μεγάλων συστημάτων. Στους μικροεπεξεργαστές της τελευταίας γενιάς άρχισαν ήδη να εφαρμόζονται προχωρημένα στοιχεία αρχιτεκτονικής, με αποτέλεσμα σήμερα να είναι ασαφής ο διαχωρισμός ανάμεσα στους μεσαίους υπολογιστές και σε συστήματα βασισμένα σε μικροεπεξεργαστές.

Χρονολογίες–σταθμοί στην ιστορία των (μικρο)επεξεργαστών μπορούν να
θεωρηθούν οι παρακάτω:
• 1971: Η Intel παρουσιάζει τον πρώτο μικροεπεξεργαστή, τον 4004. Έχει δίαυλο δεδομένων πλάτους 4 bit, κατασκευάζεται με 2.300 τρανσίστορς και έχει συχνότητα λειτουργίας 108 kHz. Μέσα στην επόμενη χρονιά
εμφανίζεται ο διάδοχος του 8008.
• 1974: Εμφάνιση του 8–bit μικροεπεξεργαστή Intel 8080 ως αποτέλεσμα της εξέλιξης του 8008. Έχει συχνότητα λειτουργίας 2 MHz και η κατασκευή του απαιτεί 6.000 τρανσίστορς. Απάντηση της Zilog με τον Z80 και της Motorola με τον 6800, o οποίος έχει 4.000 τρανσίστορς και ίδια συχνότητα λειτουργίας με τον 8080.
• 1975: Η Intel αναβαθμίζει τον 8080 σε 8085.
• 1978: Εμφανίζονται οι πρώτοι 16–bit μικροεπεξεργαστές (δηλαδή ο δίαυλος δεδομένων τους έχει πλάτος 16 bit). H Intel παρουσιάζει τον 8086/8088, του οποίου η συχνότητα λειτουργίας έχει ανέβει πλέον στα 10 MHz και η κατασκευή του απαιτεί 29.000 τρανσίστορς. Η Motorola εμφανίζει τον 68000 με συχνότητα λειτουργίας 8 MHz, ο οποίος περιέχει 68.000 τρανσίστορς (από αυτό το γεγονός πήρε και το όνομά του).
• 1982: Εμφανίζεται ο Intel 80286, ο οποίος περιέχει 134.000 τρανσίστορς και έχει συχνότητα λειτουργίας 12,5 MHz. Αντίστοιχα η Motorola εμφανίζει τον 68010.
• 1985: Εμφανίζονται οι πρώτοι 32–bit μικροεπεξεργαστές. Από τη μια ο Intel 80386, ο οποίος περιέχει 275.000 τρανσίστορς και συχνότητα λειτουργίας 33 MHz και από την άλλη ο Motorola 68020 με 200.000 τρανσίστορς και 16 MHz. Οι εξελίξεις πλέον είναι ραγδαίες.
• 1989: Εμφανίζεται ο 32–bit μικροεπεξεργαστής Intel 80486, ο οποίος έχει 1.200.000 τρανσίστορς και συχνότητα λειτουργίας 50 MHz.
• 1993: Εμφανίζεται ο Intel Pentium, ο οποίος περιέχει 3.100.000 τρανσίστορς και η συχνότητα λειτουργίας του έχει φτάσει στα 166 MHz.
• 1993: H Digital παρουσιάζει τον πρώτο 64–bit μικροεπεξεργαστή Alpha.
• 1997: H Intel ανακοινώνει τον Pentium II. Η συχνότητα λειτουργίας του βρίσκεται στα 300 MHz και το ολοκληρωμένο κύκλωμά του αποτελείται από 7.700.000 τρανσίστορς.
• 1999: H Intel ανακοινώνει τον Pentium III με συχνότητα λειτουργίας 450 MHz (κ φτάνοντας σταδιακά με το πέρασμα του χρόνου στο 1.13 GHz). Tο ολοκληρωμένο κύκλωμα αποτελείται από 9.500.000 τρανσίστορς.
• 2001: H Intel ανακοινώνει τον Pentium IV. Η συχνότητα λειτουργίας του βρίσκεται στα 2.0 GHz και το ολοκληρωμένο κύκλωμά του αποτελείται από 55.000.000 τρανσίστορς.

Αναλυτικότερα τα παραπάνω γεγονότα.

Διαδικασία Κατασκευής

Καθώς ο αριθμός των τρανσίστορς, που περικλείονται σε μια επιφάνεια ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος, είναι τρομακτικά μεγάλος, είναι αδύνατη πλέον η σχεδίασή του χωρίς τη χρήση υπολογιστή. Κατά τη διάρκεια σχεδίασης, ο σχεδιαστής χρησιμοποιεί έναν τερματικό σταθμό για να σχεδιάσει σε αυτόν το γράφημα του λογικού κυκλώματος, που θα αποτυπωθεί πάνω
στην επιφάνεια πυριτίου. Κατόπιν, με τη βοήθεια ειδικών προγραμμάτων αποθηκευμένων στον υπολογιστή και ειδικών εργαλείων, το γράφημα αυτό θα σχηματιστεί πάνω στην επιφάνεια του ολοκληρωμένου κυκλώματος.

Μετά το τέλος της διαδικασίας σχεδιασμού, ακολουθεί η διαδικασία παραγωγής και ελέγχου ορθής λειτουργίας του ολοκληρωμένου κυκλώματος. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα κατασκευάζονται σε δεκάδες ή εκατοντάδες, ανάλογα με το μέγεθός τους, πάνω σε ένα δίσκο πυριτίου, ο οποίος ονομάζεται wafer (παρατηρήστε το σχήμα 1.2). Το wafer περιέχει εκτός από τα κυκλώματα, τα οποία επιθυμούμε να κατασκευάσουμε, και κυκλώματα ελέγχου της διαδικασίας (test structures). Τα κυκλώματα αυτά έχουν ως στόχο την παρακολούθηση της διαδικασίας παραγωγής από τον κατασκευαστή και τον έλεγχο ποιότητας του αποτελέσματος. Σε περίπτωση, που κάποια κυκλώματα ελέγχου δείξουν προβληματική συμπεριφορά, αυτόματα σταματάει η διαδικασία και o δίσκος πυριτίου απορρίπτεται.

Το πρώτο βήμα που έχουμε επομένως είναι η κατασκευή του δίσκου πυριτίου. Η διαδικασία αποτύπωσης των κυκλωμάτων πάνω σε αυτόν ακολουθεί διάφορα στάδια. Αρχικά έχουμε την κατασκευή μιας απόλυτα καθαρής ημιαγώγιμης επιφάνειας, στην οποία υπεισάγονται προσμίξεις με τη βοήθεια ενός μονωτικού επιστρώματος οξειδίου για να αποδοθούν οι απαραίτητες ηλεκτρικές ιδιότητες. Πάνω στην επιφάνεια αυτή επιτίθεται προστατευτικό επίχρισμα και εκτίθεται σε ακτινοβολία μέσω μασκών, μετά καθαρίζεται, χαράσσεται με οξέα, προστίθενται καινούργιες προσμίξεις και η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται μέχρις ότου χαραχτούν όλα τα κυκλώματα.

κατασκευή
Το επόμενο βήμα είναι ο έλεγχος των πλακιδίων (dies), που παράγονται. Η διαδικασία ελέγχου βασίζεται στην εφαρμογή σημάτων ελέγχου στα σημεία των εξωτερικών συνδεσμολογιών κάθε πλακιδίου. Όσα δεν έχουν σωστή απόκριση, σημειώνονται ως ελαττωματικά.

Στη συνέχεια, όπως φαίνεται στο σχήμα διπλανό σχήμα, οι δίσκοι πυριτίου κόβονται στα επιμέρους τμήματα, που είναι τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, και τα ελαττωματικά απορρίπτονται. Το κάθε ολοκληρωμένο κύκλωμα, που προκύπτει, τοποθετείται σε μία βάση (πλαστικό ή κεραμικό περίβλημα) και οι γραμμές, που έχει, συνδέονται με χρυσά σύρματα στους ακροδέκτες της βάσης. Τέλος τοποθετείται το πάνω μέρος του περιβλήματος και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι έτοιμα.

Μετά από το σημείο αυτό γίνεται και ο τελικός έλεγχος των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σχετικά με την τήρηση των προδιαγραφών λειτουργίας τους και την τήρηση των ζητούμενων χαρακτηριστικών.

Οργάνωση

Οι περισσότεροι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές ακολουθούν μια απλοποιημένη μορφή της αρχιτεκτονικής φον Νόημαν. Συνδυάζουν την Αριθμητική και Λογική μονάδα με την μονάδα ελέγχου, δημιουργώντας την ΚΜΕ, και τις μονάδες εισόδου και εξόδου σε μια μονάδα εισόδου/εξόδου (Ε/Ε). Επομένως κάθε σύγχρονο υπολογιστικό σύστημα, αποτελείται από τρία μέρη, την ΚΜΕ, την μνήμη και την μονάδα Ε/Ε.

H KME (δλδ ο μικροεπεξεργαστής) αποτελείται από τρία κύρια τμήματα

Καταχωρητές (Registers): Μικρά κύτταρα μνήμης στο εσωτερικό του επεξεργαστή, που χρησιμοποιούνται για την προσωρινή αποθήκευση των δεδομένων, καθώς αυτά υφίστανται επεξεργασία. Μερικοί καταχωρητές έχουν ειδική λειτουργία

Απαριθμητής προγράμματος (program counter): περιέχει την διεύθυνση της επόμενης εντολής που θα ανακτηθεί από την μνήμη για να εκτελεστεί.
Καταχωρητής εντολών (Instruction register): αποθηκεύει τον κωδικό λειτουργίας της εντολής πριν αποκωδικοποιηθεί από την ΚΜΕ.
Συσσωρευτής (accumulator): καταχωρητής που συνήθως χρησιμοποιείται για τις αριθμητικές και λογικές πράξεις.

Αριθμητική και Λογική Μονάδα (Arithmetic and Logical Unit, ALU): εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις
Μονάδα Ελέγχου (Control Unit): Ελέγχει τη ροή δεδομένων από και προς την ΚΜΕ, τους καταχωρητές, τη μνήμη και τις περιφερειακές μονάδες εισόδου/εξόδου.

Η διασύνδεση μεταξύ αυτών των μονάδων επιτυγχάνεται μέσω ενός κοινού διαύλου που ονομάζεται δίαυλος συστήματος.

Αναλυτικότερα:

Η ενσωμάτωση όλων των στοιχείων της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας σε ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα, συνδυάζει τα πλεονεκτήματα του μικρού μεγέθους, της υψηλής αξιοπιστίας και του χαμηλού κόστους. Ο μικροεπεξεργαστής συνδέεται κατάλληλα με τα ολοκληρωμένα κυκλώματα της μνήμης και των μονάδων εισόδου/εξόδου, για να αποτελέσει το υπολογιστικό σύστημα που ονομάζουμε μικροϋπολογιστή ή μικροϋπολογιστικό σύστημα.

Θα πρέπει να αναφέρουμε επίσης ότι και οι μικροεπεξεργαστές, όπως άλλωστε και όλα τα λογικά κυκλώματα, λειτουργούν με βάση τη δυαδική λογική, όπου με τη βοήθεια δύο μόνο λογικών καταστάσεων (λογικό 0 και λογικό 1), που αναπαρίστανται με επίπεδα ηλεκτρικών τάσεων, εκτελούν όλες τις αριθμητικές πράξεις. Η τεχνική αυτή επιβλήθηκε για λόγους τεχνολογικής αξιοπιστίας. Έτσι οι πληροφορίες που ανταλλάσσει ο μικροεπεξεργαστής με τη μνήμη και τις μονάδες εισόδου/εξόδου είναι συνδυασμοί δυαδικών ψηφίων

Η μεταφορά της δυαδικής πληροφορίας ανάμεσα στις διάφορες μονάδες του μικροϋπολογιστή γίνεται παράλληλα από ένα σύνολο γραμμών, που αναφέρονται σαν δίαυλος δεδομένων (data bus). Οι γραμμές αυτές αναφέρονται σαν γραμμές δεδομένων (data lines). Ο δίαυλος δεδομένων δεν λύνει όλα τα προβλήματα μεταφοράς της πληροφορίας. Ο μικροεπεξεργαστής θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα επιλογής της μονάδας, με την οποία θα επικοινωνήσει, και να μπορεί να την ειδοποιήσει ότι θα στείλει ή θα πάρει δεδομένα από αυτή. Για το λόγο αυτό διαθέτει δύο ακόμα διαύλους, το δίαυλο διευθύνσεων (address bus) και το δίαυλο ελέγχου (control bus). Οι γραμμές των διαύλων αυτών λέγονται αντίστοιχα γραμμές διευθύνσεων (address lines) και γραμμές ελέγχου (control lines). Με τις γραμμές διευθύνσεων ο μικροεπεξεργαστής στέλνει τη δυαδική διεύθυνση της θέσης μνήμης ή της μονάδας εισόδου/εξόδου, με την οποία θέλει να επικοινωνήσει, και με τις γραμμές ελέγχου τα κατάλληλα ηλεκτρικά σήματα για την ενεργοποίηση των επιθυμητών λειτουργιών της μνήμης ή των μονάδων εισόδου/εξόδου. Παρατηρήστε στο σχήμα 1.5 τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται οι δίαυλοι επικοινωνίας σε ένα τυπικό μικροϋπολογιστικό σύστημα.

Η απαίτηση της ενεργοποίησης στοιχειωδών λειτουργιών σε προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα, δημιουργεί την ανάγκη ύπαρξης μιας βάσης χρόνου, που αναφέρεται ως κύκλωμα χρονισμού (clock). Το κύκλωμα χρονισμού αποτελείται συνήθως από ένα κρυσταλλικό ταλαντωτή, που παράγει τετραγωνικούς παλμούς σταθερής συχνότητας. Η συχνότητα αυτή του ταλαντωτή καθορίζει και τη συχνότητα λειτουργίας του μικροεπεξεργαστή.