Mikroprocesor

Mikroprocesor (zkráceně µP či uP) je v informatice označení pro centrální procesorovou jednotku (zkratka CPU, anglicky central processing unit), která je jako celek uložena do pouzdra integrovaného obvodu^[1] nebo do několika integrovaných obvodů.^[2] Postupně zpracovává jednotlivé instrukce programu, čímž realizuje požadovanou funkci.

Mikroprocesor představuje příklad sekvenčního logického obvodu, který pro uložení dat používá dvojkovou soustavu.

Tato elektronická součástka je ukryta nejenom v osobních 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 používané elektronky a relé.

Vývoj mikroprocesorů dosud sleduje Mooreův zákon 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 výroby integrovaných 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 Computer MP944.

V roce 1968 společnost Garrett začala pracovat na počítači schopným soupeřit s elektromechanickými systémy, které byly vyvíjeny pro systém letové kontroly nové stíhačky F-14 Tomcat námořnictva USA. Návrh byl hotový do roku 1970 a jako jádro používal čipovou 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 je CADC a čipová sada MP944 považována za poměrně neznámou i dnes.

Firma Texas Instruments vyvinula 4bitový čip Texas Instruments TMS1000. Testovala hranice předprogramovaných vložených aplikací a v září 1971 představila verzi zvanou TMS1802NC 17, které implementovala kalkulačku na čipu.

Ve firmě Intel vyvinul Federico Faggin 4bitový čip Intel 4004, ten byl uvolněn do prodeje dne 15. listopadu 1971.

Firma Texas Instruments se ucházela o patent na mikroprocesor a Gary Boone jej dostal v USA 3,757,306 za architekturu mikroprocesoru na jediném čipu dne 4. září 1973. V letech 1971 a 1976 firmy Intel a Texas 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), paměť a vstupně/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 připomíná mikrokontrolér.

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 jako 8008. Čip se stal prvním 8bitovým mikroprocesorem na světě. Byl základem počítačové sady Mark-8, propagované v časopise Radio-Electronics v roce 1974.

Procesory Intel 8008 a jeho následovník Intel 8080 otevřely trh s mikroprocesorovými komponentami.

Předpona mikro se přestala používat.

Po Intel 4004 později následoval Intel 8008, první 8bitový procesor. Tyto procesory jsou předchůdci tržně úspěšného Intel 8080, Zilog Z80 a odvozené 8bitové procesory Intel 8bit.

Konkurenční architektura Motorola 6800 byla klonována a vylepšena firmou MOS Technology pod názvem MOS Technology 6502, čímž soupeřila s popularitou Z80 v osmdesátých letech.

Z80 i 6502 se soustředily na nízkou cenu, dosaženou díky kombinaci malého pouzdra a jednoduchými požadavky na sběrnici a integrované 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 procesor MC6809 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 jako CDP1802, 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 sadou CISC (Complex Instruction Set Computing) a procesory s redukovanou instrukční sadou ), RISC ( Reduced Instruction Set Computing), VLIW a EPIC.

Mezi představitele CPU s instrukční sadou CISC patří mikroprocesory řady x86-64. Představitelé CPU s instrukční sadou RISC jsou mikroprocesory ARM, SPARC, MIPS, PowerPC a Alpha. Mezi představitele VLIW patří zejména mikroprocesory Tilera a některé GPU fy AMD a představitelé instrukční sady typu EPIC jsou mikroprocesory IA-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 byly 4bitové, což bylo dáno tím, že často pracovaly přímo s čísly v desítkové soustavě. Brzy přišly 8bitové procesory, u nichž se zjednodušeně dá říci, že umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, zatímco 16bitový 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 slovem 32bitů byly dlouho dostačující, ale protože kvůli návrhu dokázaly přímo adresovat jen 4 GB virtuální paměti, byly nahrazeny procesory 64bitovými.

Existovaly i procesory, které měly exotické šířky slova, například 10 nebo 24 bitů (například DSP z řady Motorola 56000). V počítačích se však prosadily procesory s šířkou slova danou mocninou 2 (kvůli jednodušší manipulaci a vzájemné zaměnitelnosti jednotlivých operandů).

Procesory RISC s redukovanou sadou strojových instrukcí a CISC procesory s velkým počtem strojových instrukcí. Jako výhodnější^[zdroj?] se ukazují instrukční sady typu RISC, avšak některé architektury z důvodu zachování zpětné 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, anglicky memory management unit), případně podporovat ochranu paměti nebo privilegovaný režim. Pro provoz plnohodnotných operačních systémů (například Windows NT a vyšší tj. XP, 7, 8 …, Linux, Mac OS X atd.) je jednotka správy a ochrany paměti nezbytná. Bez zmíněné podpory v procesoru jsou velmi omezené možnosti primitivního multitaskingu, současné práce více uživatelů na jednom počítači nebo virtualizace.

Jednočipový mikropočítač nebo také mikrokontrolér (MCU) obsahuje kromě procesoru i další obvody, jako jsou časovače (timery a watchdog timery), nevolatilní paměť (EEPROM, FLASH nebo ROM) a volatilní paměť (typicky SRAM), dále vstupně 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 a 16bitový 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 architektuře ARM.

Digitální signálový procesor (DSP) je zaměřen na zpracování signálu. DSP jsou optimalizovány na 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 více jader, tedy více procesorů do jediného čipu. Tento trend můžeme pozorovat u procesorů pro osobní počítače. Procesory se tedy dělí na jednojádrové a vícejádrové. 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 jako firmware běžící v programovatelném hradlovém poli. Jádro jednoduchých 8bitových mikroprocesorů se skládá z 5 až 10 tisíc hradel.

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	IPS (např. soft. Dhrystone)	jednotky až stovky GIPS (gigaops)
Výkon FPU (desetinný)	počet desetinných operací v jednoduché nebo dvojnásobné přesnosti, které zvládne provést mikroprocesor za sekundu	FLOPS (např. soft. Whetstone)	až jednotky TFLOPS (teraflops)
Řada	Oficiální označení velikosti tranzistorů (délka kanálu odpovídající hustotě tranzistorů)	nm	10000 nm (roku 1971), 1500 nm (1982), 600 nm (1994), 90 nm (2004), 14 nm (2014), 7 nm (2018), 3 nm (2022)
Výrobní proces	Skutečná velikost hradla tranzistorů	nm	45 nm (2004), 25 nm (2014), 18 nm (2016)
Šířka slova	Maximální bitová šířka operandů instrukcí	bit	4 – 64 (nebo FP vektory až 8x64bit)
Počet jader	Počet a typ jader integrovaných v procesoru	číslo	běžně 1 – 16 jader
Efektivita strojového kódu	Počet instrukcí potřebných pro provádění běžných operací	IP/cyklus hodin	1 – 5 (CISC), 1 – 12 (RISC)
Šířka externí datové sběrnice	Maximální počet bitů, které je možné během jedné operace přenést z/do čipu	bit	8 – 128
Frekvence externí datové sběrnice (FSB)	Maximální frekvence přístupu do externí paměti RAM	Hz	stovky MHz
Interní paměť cache	Kapacita rychlé interní vyrovnávací paměti integrované přímo na čipu procesoru	Byte	i několik MiB (většinou 4–12 MiB)
Velikost adresovatelné paměti	Velikost externí paměti, kterou je procesor schopen přímo používat	Byte	u 32bitových CPU řádově 4 GiB i více

Intel Corporation je největší mezinárodní výrobce procesorů a polovodičových součástek se sídlem v kalifornském Křemíkovém údolí ve Spojených státech. Intel založili Robert Noyce a Gordon Moore roku 1968 jako Integrated Electronics Corporation. Společnost Intel vyvinula architekturu x86, která se v současné době používá ve většině osobních počítačů. Až do roku 1981 se Intel zaměřoval především na vývoj paměťových čipů SRAM a DRAM, 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 řad x86 a x86-64, čipových sad nebo grafických karet.

ARM je architektura procesorů vyvinutá v Británii firmou ARM Limited. Starší obchodní název architektury ARM je Advanced RISC Machine, původní název je Acorn 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 použitá 32bitová šířka slova nebyla v době vzniku ARMu samozřejmostí. První mikroprocesor s architekturou ARM byl navržen firmou ARM Limited v roce 1984.

Advanced Micro Devices (zkráceně AMD) je mezinárodní výrobce procesorů se sídlem v kalifornském Sunnyvale ve Spojených státech. V únoru roku 1982 podepsala firma AMD kontrakt se společností Intel a stala se licencovaným výrobcem procesorů řad 8086 a 8088, později i Am286. Později však firma Intel odmítla poskytnout technické specifikace procesoru i386, což vedlo k vleklým soudním sporům, které později AMD vyhrálo. V roce 2006 společnost AMD ohlásila akvizici společnosti ATI Technologies a stala se tak předním světovým výrobcem grafických čipů. Firma AMD se v současné době věnuje hlavně vývoji procesorů (zejména x86 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 Intelu Wen 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 v New 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 jazyk FORTRAN. Počítače IBM také pomáhaly NASA počítat údaje při letech do vesmíru. V roce 1981 začalo IBM prodávat počítač IBM PC, který se stal jedním z nejúspěšnějších počítačů tehdejší doby. V roce 2005 firma IBM odprodala divizi výroby počítačů společnosti Lenovo a zabývá se už pouze výrobou serverů a superpočítačů jako Blue Gene nebo IBM Watson, který dokázal porazit člověka ve hře Jeopardy!

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 letem Exploreru 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 jako Atari ST, Amiga nebo Apple. Firma vyvinula princip sítě GSM a souvisejících technologií (jako například GPRS ve spolupráci s firmou Cisco)

• Váňa Vladimír: ARM pro začátečníky, BEN - technická literatura, 2009, ISBN 978-80-7300-246-6
• Skalický Petr: Mikroprocesory řady 8051, BEN - technická literatura, 2002, ISBN 80-86056-39-2
• Pinker Jiří: Mikroprocesory a mikropočítače, BEN - technická literatura, 2004, ISBN 80-7300-110-1
• Bernard, Jean – Michel, Hugon, Jean, Corvec, Robert Le: Od logických obvodů k mikroprocesorům, SNTL Praha 1986

• Architektura procesoru
• Architektury procesorů (seznam realizovamých procesorů)
• Centrální procesorová jednotka
• Vektorový procesor

• Obrázky, zvuky či videa k tématu mikroprocesor na Wikimedia Commons