Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Архитектура микропроцессора ПК)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Вот уже более полувека человечество использует компьютеры и другие вычислительные машины для улучшения своей жизни. Еще, буквально, 15—20 лет назад, никто даже и подумать не мог, что технические средства будут развиваться таким стремительным темпом. Этот промежуток времени был очень важен и нужен людям. Ведь произошли грандиозные изменения в области вычислительной техники. Ежедневно появляется огромное количество изобретений, которые, в свою очередь, дают старт для других, гораздо более востребованных и революционных на сегодняшний день. Совсем недавно только специалисты высокого уровня — математики, программисты, инженеры — могли взаимодействовать с компьютерами. А уже сейчас мы наблюдаем, как большинство детей с раннего детства без всяких проблем осваивают новейшие технические средства. И всему этому поспособствовало появление процессоров. Огромную роль в сфере технических средств, безусловно, играют микропроцессоры. Только благодаря их существованию, каждый может иметь под рукой персональный компьютер. Находясь в любой точке земного шара, не прибегаю к помощи специалиста, можно с легкостью отправить сообщение, создать базу данных или написать программу. В настоящее время, по­ данным исследовательской компании IDC, насчитывается более одного миллиарда личных компьютеров, из них более 250 миллионов используются только для компьютерных игр.

Как так получилось, что персональный компьютер играет важную роль в нашей жизни? Для этого необходимо четко понимать, что вообще это такое и какие основные признаки составляют его основу. Исходя из наличия слова «персональный», можно трактовать его по-разному. Но правильный ответ один — это не принадлежность компьютера к определенному человеку, а возможность общаться человека с компьютером без помощи других лиц, например, без программиста или разработчика. Благодаря удобно разработанному интерфейсу и большому количество обучающих программ пользователь может самостоятельно обеспечить постоянную работу с компьютером.

Актуальность проблемы. Качество оценочного моделирования микропроцессорных систем на ранних этапах их проектирования существенным образом зависит от быстродействия и адекватности применяемых симуляторов микропроцессоров (МП) и микроконтроллеров (МК). В инженерной практике проектирования симуляторов используются два подхода к повышению их быстродействия. Первый подход базируется на максимально возможном использовании оптимизаторов применяемых систем программирования. Второй подход заключается в предметно-ориентированной оптимизации создаваемых программных моделей МП и МК. Именно этот подход позволяет достигать наибольший прирост производительности. Осуществление этого подхода в практике инженерного проектирования симуляторов связано с очень большими трудозатратами, которые можно избежать, применяя механизмы автоматической генерации программных моделей МП и МК из формальных спецификаций или менее быстродействующих моделей.

Целью данной работы является изучение микропроцессоров ПК

Объект исследования – микропроцессор ПК.

Предмет исследования классификация и особенности автоматизации проектирования микропроцессоров.

Вопросы изученные в работе:

Архитектура микропроцессора ПК;

Структура микропроцессоров;

Назначение и классификация микропроцессоров ПК;

Особенности мобильных микропроцессоров.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались формальные методы анализа и преобразования программ.

1.ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ И СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРОВ

1.1.Архитектура микропроцессора ПК

Основную часть персонального компьютера составляет системный блок. Он организует бесперебойную работу программ, обработку и использование информации, и всевозможные расчеты. Обычному пользователю необязательно глубоко вдаваться в процесс работы системного блока — это компетентность специалистов-администраторов. Но он должен знать главные части компьютера, без чего работа компьютера становится ­невозможной.

ЦП берет команды из памяти, образующие программу, и декодирует их. Исходя из результатов, он производит выборку полученных данных и пересылает обратно в память или на устройства вывода. Также можно работать напрямую с памятью через внешние устройства ввода-вывода, а не через центральный процессор. [4]

Это называется прямым доступом к памяти.
Пользователю необходимо знать минимальные характеристики микропроцессора, а разработчику те, которые должны быть учтены при разработке программного функционирования системы. Все эти характеристики определяются понятием архитектуры микропроцессора.

Минимальный набор вычислительной системы должен состоять из 5 блоков: устройство ввода и вывода информации, управляющее устройство, арифметико-логическое устройство и запоминающее устройство.
В свою очередь, микропроцессов координирует работу всех технических устройств системы, используя для этого шину управления. Еще существует 16-разрядная и 8-разрядная адресные шины, отвечающие за выбор ячейки памяти и пересылку данных к микропроцессору и от него соответственно. Постоянное запоминающее устройство имеет пользовательские программы из внешнего запоминающего устройства. [6]

На данный момент­ существует большое количество различных типов архитектур микропроцессоров. Можно классифицировать их по-разному. Например, существуют микропроцессоры с RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектурой и с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой. В первом случае система содержит уменьшенный набор команд одинакового формата, а в другой характеризуется полным набором команд. Все эти команды рассчитываются исходя из одного такта процессора.
Другой критерий характеристики — разрядность процессора. Существуют микропроцессоры с фиксированной разрядностью и с наращиваемой разрядностью. [9]

Если брать во внимание адресные пространства программ и данных, то можно выделить процессоры с архитектурой фон Неймана. В нем все данные и инструкции хранятся в одной памяти. Еще существует процессоры с Гарвардской архитектурой. В нем хранилище данных и хранилище инструкций представляют разные физические носители, еще у него разделены канал данных и канал инструкций. К этому типу можно отнести процессоры фирмы Zilog. Он имел широчайшее применение в персональных компьютерах, а также во встраиваемых и военных устройствах. Z80 был доминирующим центральным процессорным устройством на рынке­ 8-разрядных персональных компьютеров с середины 1970-х по середину 1980-х годов. Z80 и его наследники являются одним из самых распространённых микропроцессоров.

Архитектура микропроцессора, которая в свою очередь ориентирована на работу с оперативной памятью, является высокоскоростной и обеспечивает большой информационный объем стека и регистров при расположении в оперативной памяти.

Под архитектурой микропроцессора стоит понимать, что это некое сочетание основных свойств и компонентов, а именно:

Разрядность процессора;

Тактовая частота;

Кэш память процессора;

Технический процесс;

Socket — этот параметр нужен для стандартизации всех процессоров по разъемам подключения;

Наличие встроенного графического ядра;

Структура адресного пространства. [7]

Как и любой сложный механизм, микропроцессор имеет собственное устройство управления. Это — узел микропроцессора, который выполняет управление различными своими частями. Основная задача устройства управления это, прежде всего, декодирование потока команд, отсылка кодов функций и результатов вычисления на реализацию к исполнительным устройствам и синхронизацию различных компонентов микропроцессора.
Ниже­ перечислены основные блоки, необходимые для бесперебойной работы микропроцессора:

Блок генерации адресов инструкций. Он содержит в себе регистр программного счётчика, в которой находится адрес инструкции, считываемой их памяти.

Блок выборки инструкции обеспечивает считывание программ из памяти через устройство ввода-вывода. На входе получает адрес с блока генерации адреса инструкции и далее пересылает его на устройства ввода-вывода.

Блок декодирования инструкций, производящий преобразование кодов инструкций в последовательность кодов функций, передаваемые на исполнительные устройства. Блок переходов. 

Обеспечивает проверку истинности условии перехода, и передачу сигнал на изменение программного счётчика.Блок обработки исключений. Отвечает за прием исключительных ситуаций, например, ошибки, прерывания и т. д. [8]

Блок отладки — служит для упрощения отладки программ. В его обязанности входит установка преднамеренного прерывания выполнения программы, обеспечивает обращение к внутренним узлам процессора через специальный интерфейс. Доступ к данному блоку может осуществляться несколькими путями, например, программный доступ, через специальные инструкции, так и аппаратный, через физический отладочный интерфейс.

Данный блок может и отсутствовать в микропроцессоре.
Чтобы обеспечить бесперебойное взаимодействие и обмен данными с различными модулями компьютера, в нем необходимо наличие средства идентификации ячеек внешней и внутренней памяти, регистров ввода и вывода. Для этого у каждой ячейки есть свой собственный адрес. В памяти хранятся не только данные, но и команды. Поэтому для компьютера сделано большое количество способов обращения к его памяти. Эти способы называются режимами адресации.

Режим адресации памяти — это обращение к устройству через его адрес. Существую несколько способов обращения:

Прямой, в этом случае адрес объявляется непосредственно в виде некоторого значения. Это самый простой способ.

Косвенный, в этом случае адресный код команды указывает на адрес ячейки памяти, в которой находится адрес операнда или команды. Косвенная адресация широко используется в микропроцессорах.

Непосредственный, в данной команде находится сам операнд, а не его адрес. В этом случае удается избежать прямого обращения к памяти для выборки операнда и ячейки памяти для его хранения. Это отражается на сокращении времени выполнения программы и обеспечивает минимальную загруженность памяти. Такой вид адресации удобен для хранения различных констант. [9]

Регистровый — применяется в том случае, когда промежуточные результаты хранятся в одном из рабочих регистров центрального процессора. Поскольку регистров значительно меньше, чем ячеек памяти, то небольшого адресного поля может хватить для адресации.

1.2 Структура микропроцессоров

Микропроцессор-это полупроводниковое устройство, состоящее из одной или нескольких программно-управляемых БИС, включающих все средства, необходимые для обработки информации и управления, и рассчитанное на совместную работу с устройствами памяти и ввода-вывода информации. [3]

Микропроцессор состоит из трех основных блоков:

- арифметически-логического

- блока регистров

- устройства управления

Арифметически-логическое устройство (АЛУ) - выполняет все арифметические и логические преобразования данных.

Устройство управления - электронный блок компьютера, включающий в работу устройства, блоки, электронные элементы и цепи в зависимости от содержания текущей команды.

Регистр - ячейка памяти в виде совокупности триггеров, предназначенных для хранения одного данного в двоичном коде.

Количество разрядов в регистре определяется разрядностью микропроцессора

Регистры общего назначения - образуют сверхоперативную и служат для хранения операндов участвующих в вычислениях, а также результатов вычислений. [8]

Операндом называются - исходные данные, над которыми производятся различные действия в арифметическом устройстве.

Регистр команд - служит для хранения команды, выполняемой в текущий момент времени.

Счетчик команд - регистр, указывающий адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда.

Стек (стековая память) - совокупность связанных между собой регистров для хранения упорядоченных данных. Первый выбирается из стека данное попавшее туда последним, и наоборот.

Сопроцессор

Для выполнения арифметических операций с плавающей точкой имеется специальный арифметический процессор, называемый сопроцессором. В отличие от CPU он не управляет системой, а ждет команду CPU на выполнение арифметических вычислений и формирование результатов. Согласно заявлениям фирмы Intel по сравнению с CPU арифметический сопроцессор может уменьшить время выполнения арифметических операций, таких как умножение и возведение в степень, на 80% и более. Скорость выполнения сложения и вычитания, как правило, остается без изменения.

Сопроцессор является только обиходным названием для этого чипа. Полностью он называется математическим сопроцессором или Numeric Processing Unit (NPU) или Floating Point Processing Unit (FPU).

Наличие сопроцессора на материнской плате не является обязательным, поэтому на его месте может оказаться пустой разъем для дальнейшей установки сопроцессора. Исключением являются все CPU 486DX и выше - здесь сопроцессор интегрирован прямо в CPU. [9]

В первую очередь область применения сопроцессоров - научно-технические приложения, связанные с выполнением большого количества арифметических операций. Однако это не является ограничением использования. Обычно NPU ускоряет работу любой программы - даже программы обработки текстов, так как работа с текстовыми блоками и модулями требует сложных вычислений. Также сопроцессор существенно ускоряет обработку графических изображений и выполнение программ CAD.

Оперативная память

Элементы памяти составляют основу внутреннего функционирования любой вычислительной системы, так как с их помощью данные хранятся и могут быть вновь прочитаны при дальнейшей обработке.

Чтобы CPU мог выполнять программы, они должны быть загружены в оперативную память (в область памяти, доступную для программ пользователя). CPU имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти (Random Access Memory, RAM - память с произвольным доступом, ОЗУ), с другой же -"периферийной", или внешней, памятью (гибкими и жесткими дисками) процессор работает через буфер, являющийся разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю. Только после того, как программное обеспечение будет считано в RAM с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая работа системы в целом. Оперативная память представляет собой самую быструю запоминающую среду компьютера. Принципиально имеет значение то, что информация может быть как записана в нее, так и считана.

Оперативная память имеет свои достоинства и недостатки:

- Благодаря малому времени доступа к памяти скорость обработки данных существенно возрастает. Если бы информация считывалась только с внешних носителей, то пользователь проводил бы в ожидании завершения выполнения той или иной операции много времени

- Недостатком оперативной памяти является то, что она является временной памятью. При отключении питания оперативная память полностью "очищается", и все данные, не записанные на внешний носитель, будут навсегда потеряны[12]

Оперативная память принадлежит к категории динамической памяти, т. е. ее содержимое во время эксплуатации должно "освежаться" через определенные интервалы времени.

Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая 1. Если конденсатор разряжен, то в ячейку записан логический 0. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неопределенно долго. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому записанная в динамическую память информация со временем будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов через несколько миллисекунд полностью разрядятся. Во избежание потери информации существует процесс регенерации памяти (Refresh).

Оперативная память представляет собой плату (за исключением старых моделей PC, где микросхемы устанавливались прямо в материнскую плату), длинной около 8-и см., на которой размещены микросхемы DRAM (Dynamic RAM). Такая плата называется модулем и устанавливается в соответствующие слоты материнской платы. Наибольшее распространение в последнее время получили DIMM-модули. Также имели место SIP и SIMM-модули. Модули вставляются в специально предназначенные для них слоты на материнской плате, называемые банками (Banks).

Важной характеристикой (помимо объема) оперативной памяти является время доступа, которое характеризует интервал времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее. Время доступа для внешних носителей, таких как гибкий или жесткий диски, выражается в миллисекундах, а для элементов памяти оно измеряется наносекундами.

Логическое распределение оперативной памяти

Логическое распределение оперативной памяти определяется не только применяемой операционной системой, но и особенностями аппаратной реализации IBM-совместимых PC. [10]

Можно выделить три важнейшие логические области оперативной памяти:

- Стандартная оперативная память (Conventional Memory) Важнейшая область памяти (первые 640 Кб). В ней расположена большая часть всех прикладных программ и данных.

- UMA (Upper Memory Area) Здесь находится информация, которая служит для сопряжения прикладных программ с различными картами расширений. (384 Кб расположенные между 640Кб и 1Мб)

- XMS (Extended Memory Specification) Вся память выше 1Мб. Используется Windows-приложениями

Контроллеры

Чтобы PC мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера - клавиатуры, дисководов для магнитных дисков и т. д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находится не снаружи компьютера, а встраиваются внутрь системного блока.

Результаты выполнения программ также выводятся на внешние устройства - монитор, диски, принтер и т. д.

Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памяти и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом- выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена

1. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.

2. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с CPU и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую обычно называют шиной. [8]

Шина представляет собой совокупность линий (проводов) по которым передается информация. Подробнее шины описаны ниже.

Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер ввода-вывода. Он управляет работой портов. Эти порты бывают следующих типов

- Параллельные LPT1-LPT3

- Асинхронные последовательные COM1-COM4

Разъемы параллельных и последовательных портов расположены на обратной стороне корпуса PC.

Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большой скоростью, чем последовательные (за счет использования большего числа проводов в кабеле). Принцип параллельной передачи данных подразумевает передачу восьми бит данных одновременно (параллельно) К параллельному порту обычно подключается принтер. (25-и контактный разъем)

При последовательной передаче данных биты передаются (или принимаются) один за другим. К последовательным портам подключаются модемы, мыши и др. (9-и, реже 25-и контактный разъем)

Шины

CPU и Chipset едва ли можно было использовать, если бы информация не циркулировала между отдельными элементами и устройствами. Проще сказать, что в распоряжении системы есть несколько линий, которые связывают элементы между собой. Эти линии обмена данными называют шиной (Bus).

Важнейшей характеристикой шины является так называемая разрядность шины (иногда говорят ширина шины), которая определяет количество данных, параллельно "проходящих" через нее (8, 16, 32 и 64 бит).

Шины по функциональному назначению делятся на три категории:

- шина данных. По этой шине происходит обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью.

- адресная шина. Служит для передачи адресов памяти.

- шина управления (системная шина). Управляет обменом данными, определяет какие данные куда необходимо доставить. [12]

Существует несколько типов шин различающихся техническими возможностями:

- ISA – первая 8-ми разрядная шина.

- AT Bus – 16-и разрядная шина, ставшая расширением шины ISA

- MCA – 32-х разрядная. Скорость передачи данных – до 20 Мб/с

- EISA – дальнейшее развитие шины ISA. Эта 32-х разрядная шина обеспечивала до 33 Мб/с

- VESA – расширение шины ISA для обмена видеоданными. Имела 32 разряда

- PCI – в основе этой шины заложены абсолютно новые принципы. Эта 32-х разрядная шина обеспечивала скорость передачи данных до 132 Мб/с (PCI 1.0) и до 264 Мб/с. в 64-х разрядной PCI 2.0

- USB – универсальная шина для подключения периферийных устройств (клавиатура, мышь, принтер и т.д.) Скорость передачи данных 12 Мб/с.

К шинам через специальные разъемы (слоты расширения) подключаются карты расширения, такие как графический адаптер, звуковые карты и т.д. В системе может насчитываться 5 – 8 таких слотов. Все они внешне отличаются друг от друга в соответствие с типом шины. Наиболее распространены в PC шины PCI (для высокоскоростных устройств) и шины ISA (для клавиатуры, мыши, звуковой карты и т.д.).

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ ПК

2.1.Назначение и классификация микропроцессоров ПК

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).

Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ). [12]

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

На рис. 1.1,а показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.

Рис. 1.1 Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для
реализации процессора в виде комплекта секционных БИС

Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсный процессор позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти. [16]

Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 1,б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства "стыковки".

Для создания высокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиении структуры микропроцессора горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой из них в виде БИС. Все они образуют комплект секционных БИС МП.

Таким образом, микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность "наращивания" разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при "параллельном" включении большего числа БИС.

Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронных технологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальные секционные БИС МП на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов. Использование многокристальных микропроцессорных высокоскоростных биполярных БИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности. [9]

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума. [10]

Разработанные однокристальные конвольверы используются в устройствах опознавания образов в тех случаях, когда возможности сбора данных превосходят способности системы обрабатывать эти данные.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры – цифровые устройства, однако, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала. [14]

Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.

Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.

2.2 Особенности мобильных микропроцессоров

Краткому обзору микропроцессоров, предназначенных для работы на таких мобильных электронных устройствах, как смартфоны, ноутбуки, планшетные компьютеры и т.д., посвящена данная статья. Процессор — это «мозг» компьютера, без которого он не может работать. Это устройство отвечает за выполнение компьютером вычислительных операций и операций управления, записанных в машинном коде. Микропроцессор — это процессор, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем. Мобильные микропроцессоры отличаются от обычных как внутренней конструкцией, так и внешней упаковкой. Это делается для уменьшения размеров и обеспечения минимальных энергопотребления и тепловыделения микропроцессоров. История развития микропроцессоров. Первые микропроцессоры появились в начале 1970-х гг. Их появлению способствовал прорыв в технологии со- здания интегральных схем. 15 ноября 1971 г. компания Intel приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004. Первые микропроцессоры применялись в электронных калькуляторах. Затем их стали встраивать и в другие устройства. Интенсивное внедрение микропроцессорной техники позволило значительно снизить стоимость компьютеров и способствовало появлению персональных компьютеров, доступных для множества людей. [15]

Технология создания микропроцессоров. Микропроцессоры формируются на поверхности тонких круговых пластин кремния – подложках — в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения. После этого пластины тестируют, чтобы проверить качество выполнения всех операций обработки. Затем пластины отправляются в сборочное производство, где их разрезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Далее каждый кристалл помещают в индивидуальный корпус. Затем процессор снова тестируют. Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди. В настоящее время ведется работа по замене соединительных проводов на импульсы германиевых лазеров, передающих данные с помощью инфракрасного излучения.

Такой способ передачи данных позволит в сотни раз увеличить объем ин- формации. Кроме того, сочетание традиционной кремниевой электроники с оптическими компонента- ми поможет сделать компьютеры более экологичны- ми и экономичными, так как лазеры потребляют меньше энергии, чем провода, и излучают меньше тепла в окружающее пространство. Классификация микропроцессоров. По функционально-структурным особенностям и области применения микропроцессоры подразделяются на следующие основные классы: универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой, универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой, специализированные микропроцессоры и микроконтроллеры. [1]

Характеристики микропроцессоров. Пользовательские характеристики микропроцессоров отражают их производительность, энергоэффективность, функциональные возможности и стоимость. К основным характеристикам современных микропроцессоров относятся: тактовая частота процессора (количество операций, которое может сделать процессор в единицу времени), количество ядер и объем кэш-памяти

Мобильные процессоры (чипсеты) — важная часть нетбуков, смартфонов и коммуникаторов. Микропроцессоры (микрочипы) состоят из тех же элементов, что и настольные. Микрочипы обеспечивают выполнение всех последовательностей команд на телефоне или планшетном компьютере. Мобильные процессоры отвечают за работу всех компонентов, размещен- ных на системной плате смартфонов и планшетов. Производители мобильной техники предъявляют к микрочипам гораздо более высокие требования, чем к настольным процессорам. Лидирующая позиция на рынке мобильных микро- процессоров принадлежит корпорации Intel. Значи- тельную часть этого рынка занимают микропроцессоры под названием Core Duo.

Они в основном применяются в мобильных продуктах высшего класса. Intel Core Duo — это специальные микропроцессоры с двойным ядром и низким энергопотреблением, оптимизированные для многопотоковых приложений и многозадачных работ. На них можно одновременно исполнять несколько приложений, например играть в игру, требующую интенсивной работы с графикой, или просчитывать сложную электронную таблицу и в то же самое время скачивать из интернета аудио- или видеофайлы большого размера либо выполнять фоновую проверку на вирусы. Специальные эффективные технологии управления энергопотреблением, встроенные в архитектуру микропроцессоров Core Duo, по- дают питание только в те области процессора, кото- рые в нем нуждаются, позволяя, таким образом, продлить время жизни батареи компьютера. Микропроцессор Core Duo состоит из двух ядер Pentium и кэша 1.2 размером в 2 Мб, общего для обо- их ядер, а также арбитра шины, который координирует деятельность кэша 1.2 и доступ к передней шине. Для взаимодействия с чипсетом применяется перед- няя шина с 4-кратной накачкой частоты 166 МГц, т.е. с эффективной частотой 667 МГц. Одновременно с выпуском микропроцессора Core Duo компания Intel выпустила микропроцессор Core Solo, который представляет собой одноядерную версию микропроцессо- ра Core Duo. [7]

Микропроцессоры Intel Core i3 принадлежат к са- мому недорогому семейству Intel Core. Эти процессоры работают на низкой тактовой частоте и не обладают функциями Turbo Boost и Trusted Execution. Core i3 — хороший выбор для тех пользователей, кого больше интересует стоимость, а не производительность. Микропроцессоры Intel Core i5 находятся в средней части шкалы микропроцессоров Intel. Их отличает более высокая тактовая частота, а также технологии Turbo Boost и Trusted Execution. Технология Intel Trusted Execution позволяет приложениям вы- полняться в их собственных защищенных областях, где коды другого программного обеспечения не могут с ними взаимодействовать, а значит, вирус не сможет заразить программы. Технология Turbo Boost позволяет следить за загрузкой процессора и, если одно из его ядер простаивает, снижает его тактовую частоту, одновременно увеличивая тактовую частоту нагруженных ядер. Таким образом, микропроцессоры с этой технологией могут выполнять однопоточные за- дачи намного быстрее, экономя и время пользователя, и энергию аккумулятора. Микропроцессоры Intel Core i7 — старшие мобильные микропроцессоры Intel — включают все перечисленные выше функции, и, кроме того, только в этом семействе микропроцессоров есть модели с четырьмя вычислительными ядрами. Если пользователю нужен микропроцессор с высокой тактовой частотой и максимальным количеством ядер, ему нужно обратить внимание на Core i7. Главный конкурент корпорации Intel на рынке со- временных мобильных микропроцессоров — компания AMD.

Ее ответом на выпуск процессоров линейки Intel Core стал выход в свет ряда современных процессоров: APU, A4, A6 и А8. По многим показателям линейка данных процессоров сравнима с Intel Core — в чем-то немного уступает, в чем-то практически равна: многозадачность, обработка сложных программных процессов, размеры, энергопотребление. Однако есть один фактор, в котором новые микропроцессоры от AMD заметно превосходят своих конкурентов — это работа с графикой и видео. В 2015 г. компания AMD презентовала новый микропроцессор A-серии «Carrizo». Особенностью нового микропроцессора является функциональная поддержка новой операционной системы Windows 10. Новый декодер, поставленный на этот микропроцессор, позволяет не только более плавно воспроизводить видео высокой четкости, но и обеспечивать в разы более длительное время автономной работы. Благодаря новой архитектуре в микропроцессорах шестого поколения компании AMD достигается дву- кратное превосходство производительности по сравнению с микропроцессорами конкурентов. Благодаря этому пользователь получает возможность играть на ноутбуке в самые популярные онлайн-игры, причем до двух раз дольше, чем при использовании процессоров предыдущего поколения. Перспективы развития микропроцессорной техники. Как известно, за прошедшие несколько лет был достигнут большой прогресс в развитии компьютерной техники и особенно мобильных устройств. Но жизнь не стоит на месте. Ведущие фирмы-производители электронных устройств и компонентов продолжают постоянную работу над усовершенствованием своих изделий. Каким требованиям должны соответствовать мобильные микропроцессоры будущих поколений? Основными из них являются: высокая производительность, огромное увеличение функциональных возможностей и низкое энергопотребление. С целью удовлетворения этих требований работа над усовершенствованием микропроцессорной техники продвигается в направлении виртуализированной архитектуры с большим числом ядер, богатым набором встроенных функций, большим объемом внутрикристальной памяти и интеллектуальным микроядром. [9]

Путь для решения данных задач лежит в области нано- технологий. Дальнейшее развитие полупроводниковой техники связано с использованием квантовых явлений, в которых счет идет на единицы электронов. Эти специфические квантовые явления могут лечь в основу со здания электронных компонентов и приборов принципиально нового типа. Такая эволюция архитектур, со- провождаемая необходимостью увеличения объемов информации и строгим соблюдением совместимости с тысячами существующих приложений, создает уверенность в том, что мобильные устройства на базе новых микропроцессоров изменят наш образ жизни так, как мы даже не можем представить

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Количество персональных компьютеров ежедневно растет и рынок персональных компьютеров — один из наиболее перспективных. Понимание компьютера на техническом уровне одно из необходимых условий для его использования. Таким образом, можно обеспечить оптимально быструю и безопасную работу компьютера.

В компьютере можно выделить центральную и периферийную части. Процессор и внутренняя память — центральная часть, а периферийная — устройства ввода — вывода и внешняя память.

Компьютер является одним из наиболее эффективных инструментов прогресса, ведь в каждом роде деятельности, одним из этапов является обработка и хранение информации. А кто, как не компьютер может справиться с этой задачей лучше и эффективней. Кроме того, автоматизировав какой-нибудь не сложный процесс, можно кардинально пересмотреть весь процесс работы в целом. И в итоге получится освободить человека от рутинной работы. В наше время существует огромное количество производителей персональных компьютеров. Все они могут предложить потребителям готовую технику, либо, при особом желании, можно индивидуально собрать персональный компьютер, добавив в него комплектующие запчасти, которые, по вашему мнению, будут наиболее эффективны­ для выполнения возложенных на них задач. Да и дизайн компьютеров не оставит равнодушным даже самого привередливого покупателя.

В основе любой ЭВМ лежит использование микропроцессоров. Это самое важное устройство любого компьютера. Именно от него зависит уровень производительности любого компьютера, и не только персонального. Микропроцессоры окружают человека везде. Любая электроника в современном обществе снабжена своим микропроцессором.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров, В.А. Электронные и микропроцессорные системы управления автомобилей: Уч. Пособие / В.А. Александров, С.Ф. Козьмин, Н.Р. Шоль и др. - СПб.: Лань, 2012. - 624 c.
2. Архитектура микропроцессора — Структура и общая характеристика // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по материалам XIX студ. междунар. заочной науч.-практ. конф. — М.: «МЦНО». — 2014 —№ 12(19) / [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_social/12(19).pdf­
3. Гуревич, В.И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты: проблемы и решения / В.И. Гуревич. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2016. - 256 c
4. Голдовский, И. Банковские микропроцессорные карты / И. Голдовский. - М.: Альпина Паблишер, 2016. - 678 c.
5. Исмаилов Ш-М. А. Разрядно параллельный алгоритм и структура устройства умножения двоичных чисел / Ш-М. А. Исмаилов, Ш. Г. Магомедов // Информационные и телекоммуникационные системы: информационные технологии в научных и образовательных процессах : мат-лы V Регион. науч.-техн. конф., 18–20 сент. 2009 г. – Махачкала : ДНЦ РАН, 2009.
6. Краснобаев В. А. Алгоритм реализации операции модульного умножения в системе остаточных классов / В. А. Краснобаев, В. П. Ирхин // Электронное моделирование. – 1993. – № 5. – С. 20–27.
7. Ливенцов С. Н. Основы микропроцессорной техники : учеб. пос. / С. Н. Ливенцов, А. Д. Вильнин, А. Г. Горюнов. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 118 с.
8. Могнонов П. Б. Организация микропроцессорных систем : учеб. пос. – Улан-Удэ : Изд-во ВСГТУ, 2003. – 174 с.
9. Ноздрачев, А., Д. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учеб.пособие / А. Д. Ноздрачев, Е. Л. Поляков, В. А. Багаев. - СПб.: Лань П, 2016. - 400 c
10. Старуев А. В. Метод повышения эффективности использования ресурсов ЭВМ / А. В. Старуев // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. – 2013. – № 1 (21). – С. 12–15
11. Смирнов, Ю.А. Электронные и микропроцессорные системы управления автомобилей: Учебное пособие / Ю.А. Смирнов, А.В. Муханов, М.А. Пипенко. - СПб.: Лань, 2012. - 624 c.
12. Смирнов, Ю.А. Основы микроэлектроники и микропроцессорной техники: Учебное пособие / Ю.А. Смирнов, С.В. Соколов, Е.В. Титов. - СПб.: Лань, 2013. - 496 c.
13. Шагурин, И.И. Современные микроконтроллеры и микропроцессоры / И.И. Шагурин. - М.: Горячая линия -Телеком, 2004. - 952 c.
14. Шонфелдер, Г. Измерительные устройства на базе микропроцессора ATmega / Г. Шонфелдер. - СПб.: BHV, 2012. - 288 c.