Mikroprocesor (zkráceně µP či uP) je vinformatice označení procentrální procesorovou jednotku (zkratkaCPU, anglickycentral processing unit), která je jako celek uložena do pouzdraintegrovaného obvodu[1] nebo do několika integrovaných obvodů.[2] Postupně zpracovává jednotlivé instrukce programu, čímž realizuje požadovanou funkci.
Tato elektronická součástka je ukryta nejenom vosobních počítačích (jedná se o poměrně malou skupinu mikroprocesorů), ale např. ve spotřební elektronice,CNC strojích, automobilech. Ve všech odvětvích techniky se setkáváme s trendy automatického řízení (například v oblastech těžkého průmyslu, letectví, automobilů, lékařství, telekomunikací nebo energetiky).[3]
Předchůdcem mikroprocesorů byla elektronická CPU vyrobená z oddělených TTL integrovaných obvodů.
Tranzistor změnil situaci ve vývoji elektroniky, zejména proto, že se jednalo o elektronickou součástku bez pohyblivých částí. Jedná se o součástku, která dokázala v mnoha oblastech efektivně nahradit do té doby používanéelektronky arelé.
Vývoj mikroprocesorů dosud sleduje Moorův zákon[zdroj?] týkající se stálého zvyšovaní výkonu v čase. Tento zákon nám říká, že se „komplexnost integrovaného obvodu s ohledem na minimální cenu komponent zdvojnásobí každých přibližně 18 měsíců“, což se ve všeobecnosti i překvapivě dělo od začátku 70. let. Od samotných začátků jako mozek kalkulaček viděl zvyšující se výkon k dominanci mikroprocesorů v každé jiné formě počítače; každý systém od největšího mainframe (sálový počítač) po nejmenší handheld dnes v jádře používá mikroprocesor.
Technologie výrobyintegrovaných obvodů pokročila v 60. letech 20. století natolik, že okolo roku 1970 bylo možné vyrobit procesor, jehož podstatná část byla realizována jedním integrovaným obvodem. Začátkem 70. let byly prakticky současně vytvořeny tři typy mikroprocesorů jako výsledek tří nezávislých projektů v přibližně stejném čase:Intel 4004, Texas Instruments TMS1000 a Garrett AiResearch Central Air Data ComputerMP944.
V roce 1968 společnost Garrett začala pracovat na počítači schopným soupeřit selektromechanickými systémy, které byly vyvíjeny pro systém letové kontroly nové stíhačky F-14 Tomcat námořnictva USA. Návrh byl hotový do roku 1970 a jako jádro používalčipovou sadu založenou na MOS, byl menší a spolehlivější než mechanické systémy a začal se používat ve všech raných modelech letadel Tomcat. Systém považovalo námořnictvo za velmi vyspělý, označilo jej za tajný, a utajování pokračovalo až do roku 1997. Z toho důvodu jeCADC ačipová sadaMP944 považována za poměrně neznámou i dnes.
Ve firměIntel vyvinul Federico Faggin 4bitový čipIntel 4004, ten byl uvolněn do prodeje dne 15. listopadu 1971.
FirmaTexas Instruments se ucházela o patent na mikroprocesor aGary Boone jej dostal v USA 3,757,306 za architekturu mikroprocesoru na jediném čipu dne 4. září 1973. V letech 1971 a 1976 firmyIntel aTexas Instruments podepsaly mnoho vzájemných licenčních patentových dohod, podle kterých firma Intel platila firmě Texas Instruments za patent na mikroprocesor.
Jednočipový počítač je variantou mikroprocesoru, která kombinuje jádro mikroprocesoru (CPU),operační paměť avstupně/výstupné linky na jednom čipu. Patent USA 4,074,351 na počítač na čipu, zvaný patent na mikropočítač, byl udělen Garymu Booneovi a Michaelovi J. Cochranovi z firmy Texas Instruments. Mimo tohoto patentu je správný význam mikropočítače počítač používající (několik) mikroprocesor(ů) jako svůj CPU, zatímco koncept patentu do jisté míry připomínámikrokontrolér.
Intel uzavřel smlouvu s Computer Terminals Corporation (dříve zvanou Datapoint) ze San Antonio v Texasu na čip určený pro terminál, který navrhovali. Datapoint se rozhodl čip nepoužít a Intel jej prodával od dubna 1972 jako8008. Čip se stal prvním 8bitovým mikroprocesorem na světě. Byl základem počítačové sadyMark-8, propagované v časopiseRadio-Electronics v roce 1974.
ProcesoryIntel 8008 a jeho následovníkIntel 8080 otevřely trh s mikroprocesorovými komponentami.
Z80 i 6502 se soustředily na nízkou cenu, dosaženou díky kombinaci malého pouzdra a jednoduchými požadavky na sběrnici aintegrované obvody. Ty byly poskytovány jako oddělený čip (např. Z80 obsahoval paměťový kontrolér). Byly to právě tyto vlastnosti, které umožnily start „revoluci“ domácích počítačů na začátku osmdesátých let, která nakonec produkovala poloužitečné stroje za 99 USD.
Motorola představila osmibitový procesorMC6809 v srpnu 1974. Jiný z prvních 8bitových procesorů byl Signetics 2650, vyráběný společností stejného jména.
Výchozí návrh mikroprocesoru ve světě vesmírného letu byl RCA 1802 od Radio Corporation of America (též známy jakoCDP1802, RCA COSMAC), který NASA použila v programu vesmírných sond Voyager a Viking v sedmdesátých letech a na palubě sondy Galileo na Jupiter (1989–1995). CDP1802 byl použit proto, že má velmi nízkou spotřebu a protože jeho výrobní proces zajišťoval lepší ochranu proti kosmickému záření a elektrostatickým výbojům než jakýkoli jiný procesor té doby; proto se o 1802 hovoří jako o prvním procesoru se zvýšenou odolností vůči radiaci.
Podle instrukční sady se dělí na procesory (CPU) s úplnou instrukční sadouCISC (Complex Instruction Set Computing) a procesory s redukovanou instrukční sadou,RISC (Reduced Instruction Set Computing),VLIW aEPIC.
Mezi představitele CPU s instrukční sadouCISC patří mikroprocesory řadyx86-64. Představitelé CPU s instrukční sadouRISC jsou mikroprocesoryARM,SPARC,MIPS,PowerPC aAlpha. Mezi představitele VLIW patří zejména mikroprocesoryTilera a některéGPU fyAMD a představitelé instrukční sady typu EPIC jsou mikroprocesoryIA-64 a ev. mikroprocesory Elbrus.
Jedním ze základních ukazatelů procesoru je počet bitů, tj. šířka operandu (slova), který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku. První procesory byly4bitové, což bylo dáno tím, že často pracovaly přímo s čísly v desítkové soustavě. Brzy přišly8bitové procesory, u nichž se zjednodušeně dá říci, že umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, zatímco16bitový procesor s čísly od 0 do 65535 (tj. 0 až 216 − 1) atd. Operace s většími čísly pak musí být rozděleny do několika kroků. Procesory se slovem32bitů byly dlouho dostačující, ale protože kvůli návrhu dokázaly přímo adresovat jen 4 GBvirtuální paměti, byly nahrazeny procesory64bitovými.
Existovaly i procesory, které měly exotické šířky slova, například 10 nebo 24 bitů (napříkladDSP z řady Motorola 56000). V počítačích se však prosadily procesory s šířkou slova danou mocninou 2 (kvůli jednodušší manipulaci a vzájemné zaměnitelnosti jednotlivých operandů).
ProcesoryRISC s redukovanou sadou strojových instrukcí aCISC procesory s velkým počtem strojových instrukcí. Jako výhodnější[zdroj?] se ukazují instrukční sady typu RISC, avšak některé architektury z důvodu zachovánízpětné kompatibility pracují i se strojovým kódem typu CISC (Intel x86). Procesory RISC jsou velmi úspěšné např. v mobilních telefonech nebo v superpočítačích, protože jednodušší architektura se projevuje nižší spotřebou energie.[4]
Pro jednoduché aplikace nemusí procesor integrovat jednotku pro správu a ochranu paměti (MMU,anglickymemory management unit), případně podporovatochranu paměti neboprivilegovaný režim. Pro provoz plnohodnotnýchoperačních systémů (napříkladWindows NT a vyšší tj. XP, 7, 8 …,Linux,macOS atd.) je jednotka správy a ochrany paměti nezbytná. Bez zmíněné podpory v procesoru jsou velmi omezené možnosti primitivníhomultitaskingu, současné práce více uživatelů na jednom počítači nebovirtualizace.
Jednočipový mikropočítač nebo takémikrokontrolér (MCU) obsahuje kromě procesoru i další obvody, jako jsou časovače (timery awatchdog timery), nevolatilní paměť (EEPROM, FLASH neboROM) a volatilní paměť (typickySRAM), dálevstupně výstupní obvody, takže je schopen samostatné funkce. Za průkopníky v této kategorii můžeme považovat 8bitový procesor Intel i8051, který poprvé integroval všechny základní periferie (jádro procesoru, paměť RAM, EEPROM, čítače a časovače) na jediném čipu a16bitový technologický procesor Siemens SAB 80C166, který poprvé integroval A/D převodníky, komunikační linky a masivní systém čítačů/časovačů/přerušení. Následníky řady 80166 dnes[kdy?] vyrábí Infineon (řada C167 a C166 SV2) a SGS Thomson (řada ST10). V současnosti v oblasti jednočipových mikropočítačů a mikrokontrolérů převažují obvody založené na architektuřeARM.
Digitální signálový procesor (DSP) je zaměřen na zpracování signálu. DSP jsou optimalizovány pro co nejrychlejší opakování jednoduchých matematických algoritmů, zaměřených na zpracování signálu. Typickou aplikací DSP je filtrace signálu pomocí filtrů FIR a IIR nebo Fourierova analýza. DSP se dnes používají především ve spotřební elektronice a v telekomunikační technice. Současné DSP obsahují proti svým předchůdcům navíc také rychlé komunikační linky, aby bylo možné přenášet velký datový tok, protékající těmito procesory. Můžeme rovněž pozorovat snahy o spojení výhod DSP a mikroprocesorů, ať už je to cestou rozšiřování DSP o periferie nebo rozšiřováním mikrokontrolérů o DSP jednotky.
V současnosti[kdy?] jde vývoj směrem k integraci vícejader, tedy více procesorů do jediného čipu. Tento trend můžeme pozorovat u procesorů pro osobní počítače. Procesory se tedy dělí najednojádrové avícejádrové. Zvyšování počtu jader je v podstatě vynuceno fyzikálními omezeními (např. rychlostí šíření elektrického signálu, technologií daným ztrátovým výkonem čipu…). Integrací většího počtu jednodušších jader je možné dosáhnout při stejné výrobní technologii na stejné ploše křemíku pro některé aplikace (více náročných paralelních výpočtů) mnohem vyšší výpočetní výkon, než použitím jediného složitého jádra.
Mikroprocesor může být vytvořen jako jednoúčelový obvod určený přímo k velkosériové výrobě, ale může být implementován také jakofirmware běžící vprogramovatelném hradlovém poli. Jádro jednoduchých8bitových mikroprocesorů se skládá z 5 až 10 tisíchradel.
Díky složitosti procesorů není možné stanovit několik jednoduše srozumitelných obecných parametrů, které by umožnily objektivní srovnání různých procesorů. Následující tabulka umožňuje zhruba srovnat hlavní rysy současných procesorů.
Parametr
Popis
Jednotka
Běžný rozsah
Výkon CPU (celočíselný)
Počet základních operací provedených za jednu sekundu
Intel Corporation je největší mezinárodní výrobce procesorů a polovodičových součástek se sídlem v kalifornskémKřemíkovém údolí ve Spojených státech. Intel založiliRobert Noyce aGordon Moore roku 1968 jakoIntegratedElectronics Corporation. Společnost Intel vyvinula architekturux86, která se v současné době používá ve většině osobních počítačů. Až do roku 1981 se Intel zaměřoval především na vývoj paměťových čipůSRAM aDRAM, ale souběžně vyvíjel i procesory. Po úspěchu osobních počítačů v 90. letech Intel investoval velké prostředky do jejich vývoje, a stal se tak dominantním dodavatelem pro osobní počítače. V současné době se Intel věnuje především vývoji procesorů řadx86 ax86-64, čipových sad nebografických karet.
ARM je architektura procesorů vyvinutá v Británii firmou ARM Limited. Starší obchodní název architekturyARM jeAdvanced RISC Machine, původní název jeAcorn RISC Machine. Tato architektura způsobila v několika směrech revoluci v informačních technologiích. Její návrh se řídil filosofií RISC, neméně pozoruhodné je, že první procesory ARM byly založeny na GaAs polovodičích, které dovolily na tehdejší dobu velmi vysoké taktovací frekvence. Rovněž použitá32bitová šířka slova nebyla v době vzniku ARMu samozřejmostí. První mikroprocesor s architekturou ARM byl navržen firmou ARM Limited v roce 1984.
Advanced Micro Devices (zkráceněAMD) je mezinárodní výrobce procesorů se sídlem v kalifornskémSunnyvale ve Spojených státech. V únoru roku 1982 podepsala firma AMD kontrakt se společností Intel a stala se licencovaným výrobcem procesorů řad8086 a8088, později iAm286. Později však firma Intel odmítla poskytnout technické specifikace procesorui386, což vedlo k vleklým soudním sporům, které později AMD vyhrálo. V roce 2006 společnost AMD ohlásila akvizici společnostiATI Technologies a stala se tak předním světovým výrobcem grafických čipů. Firma AMD se v současné době věnuje hlavně vývoji procesorů (zejménax86 kompatibilních), grafických karet a čipsetů.
VIA Technologies je tchajwanský výrobce integrovaných obvodů, procesorů, pamětí a největší nezávislý výrobce čipsetů na světě. Společnosti založil v roce 1983 zaměstnanec InteluWen Chi Chen a zabývá především integrací čipů na základní desce, snižováním spotřeby a vývojem čipů pro práci se zvukem, obrazem nebo čipů pro optické mechaniky, síťové karty, grafické karty a počítačové periferie. V únoru 2005 firma oslavila výrobu 100 milionů čipsetu VIA AMD.
International Business Machines Corporation (IBM) se řadí mezi největší společnosti na světě a mezi její hlavní činnosti patří v současnosti výroba a prodej počítačového hardwaru a softwaru. Společnost má sídlo vNew Yorku,USA. Firma vznikla již roku 1880 jako Computing-Tabulating-Recording Company a zabývala se vývojem prostředků ke čtení dat z děrných štítků, zpracování dat, ale například i výrobou kráječů masa, kuchyňských vah nebo minutek. Firma dodávala prostředky ke zpracování velkých objemů dat vládě Spojených států nebo Třetí říši. IBM v roce 1957 vyvinula jazykFORTRAN. Počítače IBM také pomáhalyNASA počítat údaje při letech do vesmíru. V roce 1981 začalo IBM prodávat počítačIBM PC, který se stal jedním z nejúspěšnějších počítačů tehdejší doby. V roce 2005 firma IBM odprodala divizi výroby počítačů společnostiLenovo a zabývá se už pouze výrobou serverů a superpočítačů jakoBlue Gene neboIBM Watson, který dokázal porazit člověka ve hřeJeopardy!
Podrobnější informace naleznete v článku Motorola.
Motorola, Inc. je americký výrobce mobilních technologií a telefonů. Firma je ale známa i svými procesory. Firma byla založena roku 1928 a zabývala se vývojem elektronických součástek především z oblasti radiové elektroniky. Počínaje rokem 1958 a letemExploreru 1 do vesmíru se Motorola stala dodavatelem radiové techniky pro většinu letů do vesmíru. V 80. letech byla Motorola významným dodavatelem integrovaných obvodů a mikročipů řad 6800 a 68000, které používaly firmy jakoAtari ST,Amiga neboApple. Firma vyvinula princip sítě GSM a souvisejících technologií (jako napříkladGPRS ve spolupráci s firmouCisco)
↑OSBORNE, Adam.An Introduction to Microcomputers. 2nd. vyd. Berkeley, California: Osborne-McGraw Hill, 1980.Dostupné online.ISBN0-931988-34-9.Je zde použita šablona{{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑Krishna KantMicroprocessors And Microcontrollers: Architecture Programming And System Design, PHI Learning Pvt. Ltd., 2007ISBN81-203-3191-5, page 61, describing the iAPX 432.
↑FURBER, Steve. Microprocessors: the engines of the digital age.Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2017-03, roč. 473, čís. 2199, s. 20160893.Dostupné online [cit. 2024-02-27].ISSN1364-5021.doi:10.1098/rspa.2016.0893.PMID28413353. (anglicky)
