Download CPU(Central Processing Unit)

CPU (Central Processing Unit)
CPU History & Generations
Mevlüt ARSLAN
Kırıkkale Ünv. Bilgisayar Müh. Bölümü
Araştırma Görevlisi
What is a CPU ?
The CPU is certainly the most important PC component.
CPU stands for Central Processing Unit. Let us briefly
study that name:
•
•
•
Central, because it is the center of PC data processing.
It is a Processor, because it processes (moves and calculates) data.
It is a Unit, because it is a chip, which contains millions of transistors.
...It is
Speed, speed, speed,...
Without the CPU, there would be no PC. Like all other hardware
components, the CPUs are continually undergoing further development.
You can see the explosive technological development in data processing
most clearly in the development of newer and faster CPUs. The CPUs
have for years doubled their performance about every 18 months (Moore’s
Law), and there are no indications that this trend will stop.
When we now look at all the CPUs from a broader perspective, we can see that:
•
•
•
•
The CPU history is closely tied to the companies IBM and especially Intel.
The CPUs have their roots back to Intel's chip 4004 from 1971.
You can identify seven or eight CPU generations up till today.
The compatibility concept has been important throughout the
development.
Mevlüt Arslan
Moore's Law
The CPUs have doubled their calculating capacity every 18
months. This is called "Moore's Law" and was predicted in 1965 by
Gordon Moore. He was right for more than 30 years. The latest
CPUs use internal wiring only 0.25 microns wide (1/400 of a human
hair). But if Moore's Law has to be valid into the next century, more
transistors have to be squeezed onto silicon layers.
* IBM succeeded as the first in making copper conductors instead of
aluminum. Copper is cheaper and faster, but the problem was to
isolate it from the silicon. The problem has been solved with a new
type of coating, and now chips can be designed with 0.13 micron
technology. The technology is expected later to work with just 0.05
micron wiring!
*Texas Instruments announced on August 27th 1998 that they
expect 0.07 micron CMOS processing in the year 2001.
*AMD was the first company to mass-produce copper-wired CPU's.
This happened in their fab 30 in Dresden, April 2000.
CPUs According to Generation:
INTEL
CPU history starts in 1971, when a small unknown company,
Intel, for the first time combined multiple transistors to form a
central processing unit - a chip called Intel 4004.
PC
CPUs
Year
Number
of transistors
1st. Generation
8086 and 8088
1978-81
29,000
2nd. Generation
80286
1984
134,000
3rd. Generation
80386DX and 80386SX
1987-88
275,000
4th. Generation
80486SX, 80486DX,
80486DX2 and 80486DX4
1990-92
1,200,000
5th. Generation
Pentium
Cyrix 6X86
AMD K5
IDT WinChip C6
1993-95
1996
1996
1997
3,100,000
--3,500,000
Improved
5th. Generation
Pentium MMX
IBM/Cyrix 6x86MX
IDT WinChip2 3D
1997
1997
1998
4,500,000
6,000,000
6,000,000
6th. Generation
Pentium Pro
AMD K6
Pentium II
AMD K6-2
1995
1997
1997
1998
5,500,000
8,800,000
7,500,000
9,300,000
Improved 6th. Generation
Mobile Pentium II
Mobile Celeron
Pentium III
AMD K6-3
Pentium III CuMine
1999
27,400,000
18,900,000
9,300,000
?
28,000,000
7th. Generation
AMD original Athlon
AMD Athlon Thunderbird
Pentium 4
1999
2000
22,000,000
37,000,000
42,000,000
Table shows the different CPU generations
Chip Production-Process technology
*5 to 50 million transistors must be placed on a tiny silicon wafer.
*In the CPU there are up to 20 layers of silicon wafers with millions of micro
transistors.
*The CPUs are processed using CMOS technology with smaller and smaller
"wires".
*The result is smaller "dies" (the little area inside the chip holding all the
transistors) with more and more transistors.
*The power consumption goes down, and the clock frequency goes up.
Process technology
Process technology
CPU
Number of transistors
die size
486
1.0 micron
1,200,000
79 mm2
Intel Pentium
0.5 micron
3,100,000
161 mm2
Cyrix 6X86
0.5 micron
3,100,000
392 mm2
Intel Pentium MMX
0.35 micron
5,500,000
128 mm2
AMD K6
0.25 micron
8,000,000
68 mm2
Intel Pentium II
0.35 micron
0.25 micron
7,500,000
131 mm2
Intel Celeron
0.25 micron
7,500,000
131 mm2
155 mm2
Cyrix MII
0.25 micron
IDT
Win
Chip
2 3D
0.25 micron
119 mm2
6,500,000
6,000,000
88 mm2
AMD K6-2
0.25 micron
9,300,000
81 mm2
AMD K6-3
0.25 micron
?
118 mm2
AMD ATHLON
0.25 micron
22,000,000
184 mm2
0.18 micron
37,000,000
(22 mil. + 15 mil.)
117 mm2
Intel Pentium III CuMine
AMD ATHLON "Thunderbird"
PENTIUM III
0.18 micron
Intel Pentium 4
106 mm2
28,000,000
0.18 micron
42,000,000
217 mm2
Cache Overview
* The L2 cache can cache a certain amount of RAM. How much is
determined by the chip set and the so-called TAG-RAM, the circuit
controlling the cache.
* L1-cache first appeared in Intel's 80486DX chip. Today, bigger and
better CPU cache is a natural step in the development of new CPUs.
CPU
Cache size in the CPU
80486DX and DX2
8 KB L1
80486DX4
16 KB L1
Pentium
16 KB L1
Pentium Pro
16 KB L1 + 256 KB L2
(some 512 KB L2)
Pentium MMX
32 KB L1
AMD K6 and K6-2
64 KB L1
Pentium II and III
32 KB L1
Celeron
32 KB L1 + 128 KB L2
Pentium III Cumine
32 KB L1 + 256 KB L2
AMD K6-3
64 KB L1 + 256 KB L2
AMD K7 Athlon
128 KB L1
AMD Duron
128 KB L1 + 64 KB L2
AMD Athlon Thunderbird
128 KB L1 + 256 KB L2
NOTE:a special RAM type called cache is used as a buffer - temporary storage. The fastest cache RAM is inside the CPU.
It is called L1 cache. The next layer is the L2 cache, which are small SRAM chips on the motherboard.
...ve Bu Baş Döndüren Hız Bazen Küçük
Kazalara Sebeb Oldu...
Chips Errors
The following miscalculations occur in
386, 486, and Pentium, when running
Excel, Works, or Pascal, with the
numbers 49 and 187:
The Pentium scandal
Pentium was hit by a scandal in late 1994, when an
error in the mathematical co-processor (FPU) became
publicly known. It simply miscalculated at a given
division. Intel knew of the error from early that summer
but more or less kept it secret.
1971’den 2000’e
Mevlüt ARSLAN
CPU’lar
1971’den 2000’e
CPU’lar
• İntel 4004 : 4 bitlik mimari ve bir Mhz sahip olan bu işlemci 2,000
transistöre sahipti. 1971 yılında üretilen bu işlemci 45 komut içeriyordu.
• İntel 8008 : 1972 yılında üretildi. 8 bitlik ilk işlemciydi. 3,500 transistör
çalışmaktaydı.En önemli özelliği alfanumerikveri işlemlerini yapabilmekteydi.
• İntel 8080 : 1974 yılında 2 Mhz lik 8080 chipi üretmeye başlandı. 16 bit
adresleme yapabilen bir işlemci 6,000 transistör içermekteydi.
• Motorola 6800 : 1974 yılında 8080 chipi ile üretilmeye başlanan M6800
chipi 4,000 transistör içermekteydi.
• Zilog Z80 : 1975 yılında iş dünyasıyla PC’leri tanıştırdı. 2,5 Mhz’lik 8,500
trasistörlü 8 bitlik bir mimari ve 16 bitlik adreslenmeye sahiptir.
• MOS Technologics 6502 : 8 bit mimari 16 bit adresleme yeteneği olan bu
işlemci Comadore 64, atari ve benzer makinelerde kullanıldı. 9,000 transistör
taşıyordu. Bizleri güzel grafikler ve oyunlarla tanıştırdığı yıl 1976 idi.
• İntel 8086 : Gerçek bir klasik ve teknolojik devriminin adı 8086. 16 bitlik
mimari ve tüm x86 uyumlu yongalarda bulunan komut setini kullanıyordu. Bu
chip tam 29,000 transistör içeriyordu. Yıl 1978.
• İntel 8088 : Yıl 1978. Temellerini 8086 nın yapısından alan işlemci 16 bit
dahil 8 bit iletisini kullanan yapısı ile PC’lerin atasıydı. 1979 yılında üretilen
chip 29,000 transistör içeriyordu.
Mevlüt ARSLAN
1971’den 2000’e
CPU’lar
• Motorola 68,000 : 32 bitlik komut satırı kullanan işlemci 68,000 transistörden
oluşuyordu. 1979 yılında üretildi.
• İntel 286 : İntelin x86 serisi işlemcilerinin ilk olan bu işlemci 12 Mhz hızında
çalışıyordu. 1982 yılında üretildi. 34,000 transistör içeren yapısı 16 Mb fiziksel belleği
destekleyebiliyordu. PC dünyasında tam bir devrimdi.
• İntel 386 : 1985 yılı modern PC’lerin hayatımıza girdiği yıl sayılabilir. Çünkü 386
işlemciler bu yılda üretilmeye başlandı. Böylece windows ve grafik tabanlı
programlarla tanışmış olduk.32 bitlik yapısı vardı ve 275,000 transistör taşıyordu.1991
deki modelinde FPU(matemetik işlemci) vardır bu model 50Mhz dir.
• MIPS R2000 : 1986 yılında ticari amaçlı RISC işlemcisi üretildi. 185,000 transistör
içeriyordu.
• SUN SPARC: 50,000 transistörlü bir RISC işlemcisi.
• İntel 486: 486’lar gelişmiş 386 tabanlı işlemcilerdi. 8 K’lık dahili RAM ve 12 milyon
transistör İçermekteydi.
• Intel 486DX2:1992 de “saat çarpanı” kavramını beraberinde
getirdi.25*2,33*2,40*2’lik 486Dx2 ler üretilmiştir. AMD VE CYRIX de 486DX-66 ve
-80 modellerini çıkardılar.
• AMD 5X86:Intel bundan sonra Pentium serisine geçecektir fakat AMD bu modeli
çıkarır hızı 4*33=133 Mhz dir.
1971’den 2000’e
CPU’lar
• IBM/MOTOROLA POWER PC 601 : 1993 yılında IBM/MOTOROLA ortak
çalışmasıyla Power PC 601 Power Macintosh serisi makinelerde kullannılan chip RICS
teknolojisi kullanılıyordu. 2.8 milyon transistör içermekteydi. Bu işlemcilerden sonra
piyasaya Pentium işlemciler hakim oldu.
• Pentium75-200:İlk çıkan Pentiumlar 60 ve 66 işlemciler bir bug nedeni ile pek
tutulmamışlardır.Bunlar P5 olarak bilinirler.Pentium75-200 arasındaki seri ise P54C
kodu ile anılır.
• Pentium MMX: Yıl 1997.Kodları P55C dir.MMX(multimedia extension-multimedya
uzantısı) serisi ile Pentiumlara multimedya uygulamalarını hızlandırmak için 47 komut
ilave edilmiştir.166,200 ve233 Pentiumlarda MMX vardır.L1 cache 16 Kb den 32 Kb ye
yükseltilmiştir.
• AMD K5:Pentiuma rakip olarak çıkarılmıştır.PentiumPro ile kıyaslamak daha
uygundur.
• Pentium Pro:Pro lar ile 6. Nesil işlemciler gelişmeye başlar.Daha çok Win NT yüklü
sunucular için optimize edilen ve NT de daha başarılı olan 150-200 Mhz hızlarında
sunulmuştur.L2 önbelleği olan işlemcidir.
• Pentium II:Klamath adı ilede bilinir.1997 Mayıs ayında 233,266,300Mhz lik modelleri
çıkmıştır.L1önbellek 16KB den 32KB ‘ye çıkmıştır.Bu işlemcilerin özelliği sokete değil
anakart üzerindeki Slot 1 adı verilen yarığa takılmalarıdır. Yeni kılıfın adı Single Edge
Contact (S.E.C.) dir. 1998 Şubat ta 333,350,400 Mhz lik modelleri çıkmıştır.
1971’den 2000’e
CPU’lar
• Celeron: PentiumII nin bazı özeliklerinden vazgeçilerek home PC ler için aynı
Frekansta çalışan ve fiyatı düşük bu işlemci modeli geliştirilmiştir.266 Mhz den
başlayarak Pentiumun bundan sonraki tüm modellerinin Celeron tipi bulunur.
• Pentium II Xeon:1998 de çıkarılmıştır.Slot 2 yarığa takılır.Pro lar gibi Server lar
için üretilmiştir.Yeni tip L2 önbellek Ram Chipi vardır( CSRAM (Custom
SRAM)).Farklı L2 önbellek hızları vardır(512, 1,024, or 2,048 KB L2 RAM).
450 Mhz lik 2Mb L2 önbelleği olan işlemcinin fiyatı:~3500$
• Pentium III:PentiumII temellidir.MMX yoktur.70 yeni komut eklenmiştir.3D
performansı yüksektir. PentiumII nin devamı şeklindedir.
• Pentium IV:PentiumIII ün devamı şeklindedir.Yeni komutlar eklenmiştir.Pentium
III 1600 den sonra Pentıum IV serisi 1600 MHz ile başlamıştır.
• ..............
• ......................
THE END
Mevlüt ARSLAN
Kırıkkale Ünv. Bilgisayar Müh. Bölümü
Araştırma Görevlisi