Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Исторический аспект развития микропроцессоров ПК 4)

Содержание:

Введение

Важнейший компонент любого персонального компьютера - это микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации.

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры.

Актуальность этой темы состоит в том, что микропроцессор компьютера является основой современной компьютерной техники. Компьютерная техника лежит в основе современного прогресса. Она не только обеспечивает работу современного оборудования, но и с помощью нее производят вычислительные операции.

В микропроцессорах - наиболее сложных микроэлектронных устройствах - воплощены самые передовые достижения инженерной мысли. В условиях свойственной данной отрасли производства жесткой конкуренции и огромных капиталовложений выпуск каждой новой модели микропроцессора, так или иначе, связан с очередным научным, конструкторским, технологическим прорывом. Уменьшение стоимости, потребляемой мощности и габаритных размеров, повышение надежности и производительности способствовали значительному расширению сферы их использования. Все это подтверждает актуальность выбранной темы.

Цель курсовой работы - рассмотрение классификации, структуры и основных характеристик микропроцессоров ПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

рассмотреть определение микропроцессора и историю развития;
дать общую схему классификации микропроцессоров;
изучить основные характеристики микропроцессоров ПК и их структуру.

Для выполнения данной курсовой работы использовался ПК с операционной системой Microsoft Windows 10 Professional, процессор Intel(R) Pentium(R) CPU G4620@3.70 GHz 3.70 ГГц, 4ГБ ОЗУ.

Глава 1. Исторический аспект развития микропроцессоров ПК

1. Определение микропроцессора

Самым главным элементом в компьютере является микропроцессор - небольшая электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации.

Микропроцессор выполняет арифметические и логические операции над данными в соответствии с заданной ему программой. Он состоит из двух основных частей (рисунок 1).

Составные части

арифметико-логическое устройство

устройства управления

Рисунок 1. Составные части микропроцессора ПК

Каждая из частей отвечает за свои действия, так в арифметико-логическом устройстве выполняется обработка данных, а устройство управления формирует необходимые для обработки информации управляющие сигналы[2]. В процессе развития электроники эти два устройства соединились в корпусе одной интегральной схемы. В результате чего получился микропроцессор.

Под микропроцессором подразумевается полупроводниковый кристалл или комплект кристаллов, на которых реализуется совокупность арифметико-логического устройства и центрального устройства управления[1].

Большая интегральная схема - это интегральная схема с высокой степенью интеграции, используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;
прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;
выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

Единицей информации в двоичном коде является бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1.

Первый микропроцессор был выпущен в продажу в 1970 году. Его сконструировал Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel. Возможности первого микропроцессора Intel 4004 были небольшими. Он мог обрабатывать только 4 бита информации (для сравнения процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита информации). Применялся Intel 4004 в микрокалькуляторах.

В 1973 г. Фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel 8008, а в 1974 г. - его усовершенствованную версию Intel 8080, которая до конца 70 годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии (отечественный аналог КР580ИК80) [3].

Современные микропроцессоры выполняют сотни различных операций и делают это со скоростью в несколько десятков и даже сотен миллионов операций в секунду.

В компьютерах IBM РС используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.). Микропроцессоры фирмы Intel , применяемые в IBM PC совместимых компьютерах, таковы: Intel – 8080, 80286, 80386( модификации SX и DX ), 80486 (модификации SX, SX2, DX, DX2, DX4 ), Pentium и Pentium Pro, Pentium (2 – 4) они приведены в порядке возрастания производительности и цены. Разница в производительности этих микропроцессоров очень велика. Так, новейший микропроцессор Pentium 4 быстрее микропроцессора Intel-8088 (на котором были основаны исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC XT) в сотни тысяч раз[10].

Большинство выпускаемых сейчас компьютеров основано на микропроцессорах Pentium 3-4 и его аналогах (например, AMD Athlon XP). Лишь самые дешевые модели компьютеров основаны на микропроцессоре Celeron (упрощенный вариант Pentium 3-4) или AMD Duron.

1. Хронология развития микропроцессоров

Корпорации Intel была основана в 1968 г. Первый процессор, разработанный специалистами этой корпорации, был i4040 в 1969 г. Он представлял собой 4-разрядное устройство с 2300 транзисторами (для примера: Pentium 4 имеет около 42 млн. транзисторов). Этот процессор применялся в карманных калькуляторах[5]. В 1972 г. был выпущен 8-разрядный процессор i8008 с адресацией внешней памяти 16 Кбайт. Революцией можно считать 1974 г. – выпуск i8080(рисунок 2). С этого момента начинается отсчет современных процессоров.

Рисунок 2. 8-разрядный процессор i8008 с адресацией внешней памяти 16 Кбайт

Этот процессор мог адресовать 64 Кбайта и работал на тактовой частоте 2 МГц. Он разошелся миллионными тиражами и заложил основу во всю дальнейшую архитектуру процессоров.

Первое поколение процессоров. Очередной революционный процессор Intel – i8086 – появился в 1978 г. Его основные характеристики – 16-разрядные регистры, 16-разрядная шина данных, сегментная адресация памяти 20 бит – это уже 1 Мбайт. Тактовая частота 4,77–10 МГц. Более дешевый вариант i8086 – это процессор i8088 – имеет 8 разрядную шину данных. Процессоры i8086/88 могли работать с внешним математическим сопроцессором i8087 (устанавливался в специальный разъем на плате). i8086 унаследовал большую часть множества команд 8080 и Z80. Все современные процессоры поддерживают набор команд процессора i8086, совместимость «снизу-вверх» - любую программу, написанную для i8086, можно запустить на Pentium 4 или Athlon XP[8].
Второе поколение процессоров. В 1982 г. Intel представляет 80286 с расширенной шиной 24 бита (16 Мбайт памяти) и защищенным режимом работы (рисунок 3).

Рисунок 3. Микропроцессор 80286

До этого в процессорах отсутствовала поддержка на процессорном уровне защиты программ от взаимного влияния, такое нововведение стимулировало производителей программного обеспечения на выпуск многозадачных операционных систем (Windows, OS/2)[7].

Третье поколение процессоров. Развитие многозадачности началось после выхода микропроцессора i80386 в 1985 г. (рисунок 4).

Рисунок 4. Микропроцессор i80386

Главные отличительные особенности этого процессора:

32-разрядные шины адреса и данных (адресация 4 Гбайт);
добавление 32-разрядных регистров;
виртуальный 8086 процессор;
страничная адресация памяти;
ведена концепция параллельного функционирования внутренних устройств процессора: шинный интерфейс, блок предварительной выборки, блок декодирования команд, исполнительный блок, блок сегментации, блок страничной адресации[8].

Четвертое поколение процессоров. Концепция параллельного функционирования внутренних устройств нашла Шестое свое конвейеризации дальнейшее дальнейшее развитие в выборки процессоре i80486 (1989 г., Реализована модели энергосбережения SX, модели SX2, предсказания DX, внутреннему DX2, Кбайт DX4) в Внутренние виде был конвейеризации встроенного вычислений (5 Реализована ступеней)(рисунок 5).

МГц Рисунок 5. Шестое Микропроцессор i80486

У своей данного внутренних поколения Intel выделяются введена следующие сегментации отличия:

кристалле наличие для встроенного Реализована математического переходов сопроцессора (модели процессоре DX, вида DX2, Четвертое DX4);
адресации поддержка сопроцессора многопроцессорного нашла режима свое работы;
ошибкой два выборки вида блока кэш-памяти – дальнейшее внутренней 8 Линейку Кбайт (L1) и знаменитый внешней (L2). свое Начиная с предварительной процессора i80486, конвейерами все архитектура последующие развитие модели встроенного процессоров развитие Intel данных поддерживают знаменитый различные наличие концепции концепция энергосбережения.

внешняя Пятое начале поколение Внутренние процессоров. Первый Первый начале Pentium 60 (66), параллельного знаменитый Шестое своей концепции ошибкой математического блока с модели плавающей Первый точкой, декодирования был блок представлен в начале начале 1993 г. К конвейеризации внутреннему виде кэшу точкой команд внутренних добавили 8 виде Кбайт процессоров для для данных. на Разработана концепция суперскалярная Реализована архитектура (с работы двумя развитие конвейерами u и v) – наличие выполнение архитектура двух данного команд за один такт. Реализована технология предсказания переходов (branch prediction). Внутренние шины стали 128 и 256 бит, внешняя шина данных 64 бит[9].
Шестое поколение процессоров. Линейку процессоров Pentium 75-200 МГц характеризуют следующим образом:

кэш L1 16 Кбайт на кристалле процессора;
в кэш L2 256/512 Кбайт внешний на материнской плате;
технология изготовления 0,35 микрон (для процессоров 120 МГц и ниже 0,6 микрон);
содержит около 3,3 миллиона транзисторов[11].

В это время помимо Intel, можно отметить еще двух производителей процессоров это Cyrix и AMD, которые совместно с IBM разрабатывают стандарт «Р-рейтинг» для обозначения производительности процессора.

«Р-рейтинг» разрабатывают любого большую процессора архитектура равен процессоре величине для тактовой станциях частоты блок процессора совместно Intel процессоров Pentium, производились показавший блока такой производились же содержит или содержит более уровня высокий станциях результат в был абсолютно шина идентичной конфигурации конфигурации (замеры процессор производились второго на этого тесте кристалле Winstone 96).

для AMD блока выпускает Особенности процессор К5-PR133 (работающий рабочих на внешний частоте 116,7 примерно МГц). рабочих Этот около процессор данного имеет встроенный встроенный по кэш 24 первого Кбайт, модели технология введен изготовления 0,35 официальные микрон, процессорах около 4,3 архитектура миллионов которые транзисторов. материнской Процессоры поколение CYRIX (и производительности идентичные др им с плате лейблом идентичной IBM) показывают имеют до официальные плате названия 6х86 Р120+, 6х86 Р133+, 6х86 Р150+, 6х86 Р166+, 6х86 Р200+[12].

для Дело в самым том, соответствующем что на при AMD выполнении 32-разрядных том тестов внутренняя процессоры К5 и 6х86 Дело показывают начала примерно Pro на 11% кэш большую модели производительность Pro на для соответствующем величине процессоре Кбайт Pentium. по Особенности 6х86: отметить кэш 16 результат Кбайт, ММХ дополнительный др кэш Winstone для Он команд 256 б; конце технология IBM изготовления 0,5 Выпускался микрон (0,65 ниже для Р120+); процессоры количество процессора транзисторов введен около 3 для млн.

Pentium Седьмое конфигурации поколение что процессоров. В количество конце 1995 г. имеет Intel высокий выпускает частоте Pentium первого Pro, производительности который МГц до тесте начала 1997 г. находит остается абсолютно самым начинается мощным и более дорогим выпускает процессором. С процессор этого архивирования процессора изображений начинается миллиона архитектура Р6. IBM Выпускался с IBM тактовыми второго частотами 150-200 процессоров МГц, станциях имеет введен встроенный по кэш находит первого им уровня 16 встроенный Кбайт, процессора второго 256/512 производительности Кб (на шина кристалле Этот процессора), начинается технология том изготовления 0,35 Intel микрон, млн внутренняя Начиная шина 300 бит, около 5,5 млн. транзисторов. Он находит свое применение в серверах и рабочих станциях[14].

Начиная с модели Pentium 133, был введен блок ММХ-команд (MultiMedia eXtensions). Цель данного блока увеличить производительность приложений по обработке звука, изображений, архивирования и др. Работа по обработке изображений на процессорах с ММХ выполнялась на 50% быстрее. Кроме блока ММХ-команд, изменился еще и размер кэш-памяти до 32 Кбайт. Процессоры Pentium ММХ выпускались с рабочими частотами 133-233 МГц.

997 г. - процессоры Pentium ММХ снимаются с производства, а в качестве альтернативы Intel выпускает Pentium II и Celeron. В этом процессоре удвоен объем кэш-памяти 16 Кбайт – для данных, 16 Кбайт – для команд. Кэш второго уровня выполнен не на кристалле и не на материнской плате. Был разработан новый разъем для процессора Slot 1 и сам процессор теперь представлял собой не отдельную микросхему, а картридж, внутри которого находился процессор и кэш второго уровня 512 Кбайт[4]. выходит При от этом работают частота отсутствием работы рынке кэш-памяти частоты второго плате уровня из была в 2 сами раза это ниже можно частоты процессора процессора. что Частота производства системной II шины отличающиеся первых работающих Pentium жизни II разъемом была 66 снимаются МГц, а сам сами картридж процессоры при при исполнении этом наличии работали рынке на отличающиеся частотах 233-333 на МГц. ряд Позже исполнении Intel МГц выпускает линейку модификации находился Pentium жизни II он для набора частоты наличии системной со шины 100 Celeron МГц (модельный использовать ряд 350, 400 со МГц).

представлял На работы рынок не серверов урезанной выходят внешнего процессоры отдельную Xeon, работают отличающиеся новый от удвоен Pentium кэш II Последующая размером жизни кэша не второго Кэш уровня 512/1024/2048 которого Кбайт, этом разъем команд Slot 2. урезанной Он со также из обеспечивал снимаются поддержку Частота многопроцессорности (до 8 отличались процессоров, отличающиеся работающих команд одновременно)[7].

использовать Для маленькая дешевых выпускает настольных сам компьютеров заканчивая выходит работающих модификация идентичных Pentium использовать II снимаются под ядра названием изменении Celeron. сам Первые только два Intel процессора серверов Celeron 266 и 300 выходит МГц изменении отличались ниже от модификация Pentium индексом II они отсутствием Кэш внешнего что контейнера и под кэша что второго Для уровня. выпускает Последующая этом модель альтернативы выходит с работает индексом «А», работают что отличались говорит о два наличии присутствуют кэша содержат второго работали уровня 128 разъемом Кбайт, в он исполнении которого Slot 1.

от Intel можно выпускает он линейку Кэш процессоров, уровня начиная была от Socket Celeron 300А которого заканчивая они Celeron 500 (все выходят содержат разъем кэш II второго уровня). На рынке присутствуют 2 идентичных набора процессоров, отличающиеся только разъемом Slot 1 (картридж) и Socket 370 (микросхема с 370 ножками). Еще маленькая деталь из жизни Celeron-ов, они работают на частоте системной шины 66 МГц. Celeron 300А можно использовать на частоте 100 МГц (небольшой разгон, собственно это Pentium II только с урезанной памятью), при таком изменении он «превращается» в Celeron 450А и работает (быстрее Pentium II 450, т. к. кэш второго уровня работает на частоте ядра процессора[6].

Один из соперников Pentium II был процессор Cyrix 6x86Mx (M2). Это переработанный 6x86, с улучшенной архитектурой (на 150-200% быстрее простого 6х86 той же частоты), также были добавлены некоторые команды к ММХ, дающие в итоге большой выигрыш в скорости Первые версии работали на частотах 180, 200 МГц, потом добавились 225 и 233МГц (225 работал быстрее 233, т.к. использовал системную шину 75 МГц). Процессор имел встроенный кэш разработчики первого свои уровня 64 соперников Кб, ядро технология 0,25 от микрон[8].

Сначала Корпорация архитектурой AMD идентификационный выпускает устанавливается процессор К6, разработчики который МГц не DNow может второго похвастаться дающие более прием высокой Cyrix производительностью, Celeron но значительно значительно дающие дешевле из процессоров вдвое от трехмерной Intel, к процессу тому продукты же многопроцессорность остался команд на потом старом после разъеме добавлены Socket 7 (у ядро Intel ММХ уже для есть из Socket 7, оптимизации Socket 370, значительно Slot 1, первой Slot 2). рядом Размер использовал кэш была первого частотах уровня 32 что Кб Кб данные, 32 частоты Кб работал команды, прием технология 0,35, SSE тактовая работали частота 166-233. К6 идентификационный позиционируется производительностью как DirectX прямой добавлен конкурент процессоров Celeron. по Соперник Celeron Pentium видеокарт II в улучшенной борьбе продвигающимся за но покупателя активно был К6-2 (К6-3D), номер который по содержит тактовая ряд технологическому команд поставки для Celeron оптимизации продукты работы с под трехмерной разъеме графикой и SSE звуком (3DNow, больше оптимизация Процессор была первого включена в половине DirectX6, Главная после процессор успеха февраля игры частота Quake2, борьбе разработчики Katmai видеокарт Это оптимизировали высокой свои значительно продукты имел под покупателя 3DNow), больше устанавливается в набор Socket 7. многопроцессорность Рабочие борьбе частоты 266-475 активно МГц[10].

В AMD конце из февраля 1999 г. есть были выпускает анонсированы ядро Pentium как III 450 и 500 борьбе МГц. трехмерной Изготовлены скорости по технологическому технологическому Процессор процессу 0,25 были мкм, SSE ядро архитектурой Katmai, значительно добавлен высокой набор как инструкций DirectX SSE, SSE размер L1 тактовая кэш – 32 Главная Кб (16+16), L2 DirectX кэш – 512 остался Кб (работает успеха на каждого половине Celeron частоты высокой ядра, МГц расположен частотах рядом с особенность микросхемой ядро процессора в одной картридже), итоге многопроцессорность (2 Соперник процессора частота на одной шине), идентификационный 96-битный номер – уникальный для каждого процессора. Фактически запуск этих двух процессоров выглядел как маркетинговый прием Intel в борьбе с активно продвигающимся AMD К6-2.

В первой половине 1999 г. AMD начала поставки процессоров K6-III (К6-3D+), работающих в Socket 7. Главная особенность – встроенная кэш-память второго уровня 256 Кб (L1 кэш остался 64 Кб, что вдвое больше, чем Pentium III), работающая на полной частоте ядра (Pentium III – на половине частоты ядра), а кэш-память, установленная на материнской плате, рассматривается как кэш третьего уровня. Тактовые частоты 400-500 МГц[11].

23 июня 1999 г. лидерство в выпуске новых мощных процессоров перешло от Intel к AMD – были представлены модели AMD Athlon 500, 550, 600, изготовленные по 0,25 микронной технологии в новом корпусе Slot А.

Рисунок 6. Микропроцессор AMD Athlon

29 ноября 1999 г. были выпущены процессоры Athlon с частотами от 550-800 МГц, изготовленные по технологии 0,18 мкм. Основные характеристики:

внутренняя архитектура – типа «RISC»;
имеет 3 конвейера для целочисленных вычислений и 3 для операций с плавающей точкой;
добавлены новые команды в блок 3DNow;
L1 кэш – 128 Кб (64+64), L2 кэш – 512 Кб (в перспективе до 8 Мб) расположен в отдельных микросхемах рядом с кристалле процессором и кэша работает характеристики на отдельных половине ранних частоты архитектура ядра, свет поддерживает применить ECC-механизм;
собрата многопроцессорность – микросхемах теоретически теоретически до 14 индексами процессоров ранних на расположен одной многопроцессорность шине;
новые системная или шина – 100 дорогого МГц, но но млн работает половине по идентификатор обоим свет фронтам легкие сигнала, ноября результирующая 200 новые МГц[16].

одном Intel 25 Intel октября 1999 г. перспективе анонсировала Новое сразу 9 выпущены процессоров с обмене частотами 500-733 (с также индексами E, технологии EB). В на последствии к урезанным ним характеристики добавились Slot еще последствии Pentium применить III 750, 800, ГГц 800EB, 900 многопроцессорность МГц и 1,14 DNow ГГц. поддерживает Характеристики более новой получило линейки или процессоров:

еще выполнен в коррекции Slot 1 до или одном Socket 370 (FC-PGA) смогла технология 0,18 Tualatin мкм;
28 типа млн. от транзисторов;
L1 коррекции кэш – 32 от Кб (16+16), L2 архитектура кэш – 256 расположен Кб (L2 – коррекции работает плавающей на ГГц частоте более ядра и изготовленные располагается расположен на дорогого кристалле ядре процессора), более поддерживает работающий ECC-механизм коррекции обнаружения и Основные коррекции были ошибок рядом при EB обмене по данными с полной ядром ранних процессора;
процессора частота работает системной конвейера шины 100 шины или 133 Pentium МГц, Помимо поддерживает мобильный ECC[18].

более Новое Основные поколение урезанным Celeron (на ядром ядре Athlon Coppermine) Coppermine отличается Coppermine от легкие своего работает более Для дорогого ранних собрата, мобильный Pentium обмене III, целочисленных урезанным L2 технологии кэш – 128 мобильный Кб. блок Этот избавились процессор линейки также мобильный поддерживает целочисленных ММХ и кэша SSE. Новое От ним более МГц ранних мкм версий этого Celeron ним отличается 256-битной избавились внутренней имеет шиной (между кэша кэшем и ядре ядром). ядре Помимо дорогого этого шине избавились операций от легкие серийного МГц номера.

Celeron Для рядом дальнейшего модели повышения внутренняя частоты урезанным Pentium анонсировала III, Новое перешел по на одной новые ядром технологии 0,13 линейки мкм. Новое ядро получило название Tualatin, в свет вышли новые модели Pentium III 1,13 и 1,2 ГГц (позже 1.3, 1.4, 1.5 ГГц). С выходом Tualatin, Intel, смогла применить 512 Кб кэша на одном кристалле процессора и работающий на полной частоте процессора. Удалил 96-битный идентификатор процессора. На ядре Tualatin, были выпущены также более легкие процессоры Celeron, мобильный вариант ядра Tualatin-М, серверный – Tualatin-S[11].

Переход на технологию 0,18 мкм для AMD состоялся летом 2000 г. разработкой ядра Thunderbird. Для своих новых процессоров Athlon AMD разрабатывает также новый разъем Socket А (Socket 462 в виде микросхемы). У нового процессора содержится 37 млн. транзисторов. L1 кэш – 128 Кб, L2 кэш – 256 Кб (L2 находится на кристалле процессора). Единственный недостаток 64-битная шина между ядром и кэшем второго уровня (Pentium III имеет 256 бит).

Июнь 2000 г. положил начало новому витку противостояния AMD и Intel, в этот раз – на рынке недорогих систем. Был выпущен процессор Duron 600, 650, 700 (позже 1.1 ГГц) на ядре Spitfire (переработанное ядро Thunderbird). Этот процессор содержит кэш-память обоих уровней на кристалле процессора L1 кэш – 128 Кб, L2 кэш – 64 Кб. Частота внешней шины 200 МГц (2х100), имеются 3 конвейера для операций с плавающей точкой.

2000 г. – на рынке появляется первый серийный процессор, от VIA получивший официальное название «C3». Технология производства 0,18 мкм. Количество транзисторов 11,2 млн. Разрядность 32 бит. Набор команд x86, MMX, 3DNow. Кэш-память первого уровня 128 Кбайт, кэш-память второго уровня отсутствует. Тактовая частота 500–667 МГц, частота шины 100–133 МГц. Разъём Socket 370. Выделяемая мощность 8–13 Вт. Преимущество процессоров C3 - малые потребляемая мощность и выделение тепла[14].

Следующий процессор VIA Cyrix IIIa, Matthew (ядро Samuel II). Технология производства 0,15 мкм. Кэш-память первого уровня 128 Кбайт, кэш-память второго уровня 64 Кбайт. Тактовая частота 600–800 МГц, частота шины 100–133 МГц, разъём Socket 370. Выделяемая мощность 5 Вт. Процессор устойчиво работает без системы охлаждения, нагреваясь при длительной загрузке до 50 °C и очень быстро остывая при возвращении в режим холостого хода.

В конце ноября 2000 г. Intel представляет процессор Pentium 4 (кодовое название Willamette), архитектура NetBurst которого коренным образом отличается от своей предшественницы Р6. Основным отличием было увеличение конвейера до 20 стадий, что позволило сильно нарастить частоту процессора, причем без перехода на новый технологический процесс. Тактовая частота первых экземпляров составила 1.4 и 1.5 ГГц. Менее дорогая модель 1.3 ГГц появилась в начале 2001 г. Аарифметико-логическое устройство данных процессоров работает на частоте в два раза превышающей частоту ядра. В новом процессоре также обновился блок инструкций SSE, дополнился еще 144 инструкциями и стал именоваться SSE2. Претерпел изменений и кэш первого уровня, его объем сократился до 8 Кб для данных, для хранения инструкций появился новый переработанный кэш (Trace Cache). Изменился разъем процессора FC-PGA 423. Работая на таких частотах, процессору нужно принимать больший объем данных с обычной памяти, разработчики позаботились и об этом, создав Quad Pumped шину, работающую на частоте 400 МГц.

До появления ядра Palomino процессоры Athlon не разделялись на семейства. Ядро Palomino впервые для AMD будет использоваться в трех разных линейках процессоров:

Athlon-4 - мобильные процессоры для ноутбуков,
Athlon MP - процессоры для серверов и рабочих станций,
Athlon XP – «настольный» процессор для обычных компьютеров[11].

Система кэширования ядра улучшена, увеличен буфер трансляции адресов кэша (TLB) е. Объем и структура кэшей остались неизменными: 64 Кб кэша данных, 64 Кб кэша инструкций (кэш первого уровня), 256 Кб кэша второго уровня, данные в кэшах не пересекаются. В ядре Athlon-4 появился блок аппаратной предвыборки данных. Третья версия этих инструкций называется «3DNow Professional», для управления потреблением энергии процессор Athlon-4 реализует технологию PowerNow В ядре Athlon-4 появился встроенный термодиод.

Затем AMD, выпускает процессор Duron 1 и 1.1 ГГц (позже 1.2 ГГц), на новом ядре Morgan. Кроме смены названия ядра, новый процессор имеет поддержку усовершенствованного набора инструкций 3DNow Professional, а также инструкций SSE. Ядро Morgan имеет механизм предсказания переходов и буфер преобразование адреса. В ядро вмонтирован температурный датчик[12].

С выходом 0.13 мкм Pentium 4 Northwood, разрешилась проблема с тепловыделением. Компактные размеры нового процессора FC-PGA 478 (сравним с 80386). Также возрос размер кэша второго уровня до 512 Кб (L1 кэш – 8 Кб), trace cache 12Kmops (кэш команд), сбрасываемая длина конвейера 20, расширение набора инструкций SSE2.

В начале лета 2002 года были объявлены более совершенные Athlon XP 2100+ и 2200+ на 0,13-микронном ядре Thoroughbred (TBred)(рисунок 7). Мало отличается от Palomino только технологией 0,13 мкм[9].

Рисунок 7. Athlon XP 2100+ и 2200+ на 0,13-микронном ядре Thoroughbred

В конце лета последовал выход процессоров Athlon XP 2400+ и 2600+ (для системной шины 266 МГц) на начало продаж процессоров Intel Pentium 4 2,6-2,8 ГГц. 1 октября AMD объявила и об Athlon XP 2700+ и 2800+ на новой системной шине 333 МГц.

Осенью 2002 года вышел в свет очередной процессор от Intel, тактовая частота которого достигла значения 3 ГГц. Это - первый настольный процессор, обладающий поддержкой HyperThreading. Ее поддержка была заложена в самые первые процессоры семейства Pentium 4.

В 2003 г. вышла версия VIA C3 Nehemiah со стандартным для процессоров C3 объёмом кэша. Технология производства 0,13 мкм. Тактовая частота 1000–1400 МГц, выделяемая мощность 5–18 Вт. Ядро обеспечивает также криптографические функции и исполняет инструкции SSE, отказавшись от инструкций 3DNow[17].

В 2003 г.вышли пять новых процессоров Pentium4 с частотами 2.8-3.6 ГГц, а также Pentium4 3.4 ГГц XE (eXtreme Edition) выполненных для Socket Intel LGA775. Вместо тактовой частоты используется процессорный номер (2.8 ГГц-P4 520; 3.0 ГГц-P4 530; 3.2 ГГц-P4 540; 3.4 ГГц-P4 550; 3.6 ГГц-P4 560; 3.4 ГГц-P4 XE). На новых процессорах LGA775 ножки отсутствуют - вместо них контактные площадки.

10 февраля 2003 компания выпустила новые Athlon XP 3000+, 2800+ и 2500+ на ядре Barton с увеличенной вдвое кэш-памятью второго уровня (L2 – 512 Кб). Само вычислительное ядро процессора никаких существенных изменений не претерпело. С новым объемом кэша, AMD пересчитывает рейтинг своих процессоров 3000+ на Barton – реально работает на частоте 2167 МГц и 2700+ Thoroughbred-B – реально работает на той же частоте 2167 МГц. Частота шины 333–400 МГц (dual-pumped)[16].

2 февраля 2004 г. произошёл массовый анонс целого ряда процессоров. Были анонсированы Pentium4 2800E, 3000E, 3200E, и 3400E, а также новая версия Pentium4 Extreme Edition с частотой 3400 МГц (и кэшем третьего уровня 2 Мб) и Pentium 4 Northwood с частотой 3400 МГц. Был представлен также процессор Pentium4 2800A, процессор с ядром Prescott, но на пониженной частоте шины и без поддержки технологии Hyper-Threading. Процессоры имеют поддержку Hyper-Threading и работают на шине 800 МГц. Новые процессоры производятся с соблюдением норм 90-нанометрового технологического процесса. L1 кэш – 16 Кб, trace cache 12Kmops (кэш команд), L2 кэш – 1024 Кб, сбрасываемая длина конвейера 31, расширение набора инструкций SSE3.

Дополнительные улучшения Prescott:

улучшенная предвыборка данных;
улучшенное предсказание ветвлений;
дополнительные буферы комбинированной отложенной записи в память;
ускорение некоторых операций с целыми числами, в том числе, умножение[15].

По заявлениям Intel, технология HT претерпела заметные улучшения в новых процессорах. Первое - увеличение количества эксклюзивных ресурсов процессора для каждой нити. Другое улучшение состоит в увеличении размеров кэш-памяти всех уровней, которые призваны обеспечивать нити данными.

2004 г. – год выпуска AMD K7 Thorton (Athlon XP). Thorton -экономичная модель Athlon XP на ядре Barton. Технология производства 0,13 мкм. Тактовая частота 1667–2133 МГц (2000+…2400+), частота шины 266 МГц (dual-pumped)[11].

28 июля 2004 г. (выпуск 17 августа) Sempron 3100+ для Socket 754 ядро Paris, Sempron 2500+ (1750 МГц), 2600+ (1833 МГц), 2800+ (2000 МГц) для Socket A, ядро Barton. Модели Sempron под Socket просуществуют до конца 2005 года, но в малобюджетных системах. Самым последним процессором Sempron под Socket модель 2800+. Эти процессоры позиционируются, как конкуренты Intel Celeron D. Sempron под процессорный разъем Socket A по техническим характеристикам – практически Thoroughbred с 1,6 В напряжением, единственное отличие – частота шины, увеличенная до 333 МГц. Модели AMD Sempron processors 3100+, 2800+, 2600+, 2500+, 2400+, 2300+ и 2200+ доступны в настоящее время, модели Mobile AMD Sempron 2600+, 2800+, 3000+ для «полноразмерных» ноутбуков и Mobile AMD Sempron 2600+ и 2800+ для субноутбуков будут доступны в августе 2004 года[5].

В 2004 г. Intel представила процессор Pentium 4 (ядро Tejas) на разъёме Socket T, изготовленного по технологии 0,09 мкм. Способным работать на тактовых частотах 3600-5000 МГц, шина 800 МГц. L1 кэш – 24 Кб, L2 кэш – 1024 Кб. Набор команд x86, MMX, SSE, SSE2.

Соревнование AMD против Intel, несет для пользователя много плюсов: снижение цены; снятие маркетинговых ограничений (Celeron перевели на 100 МГц); выпуск процессоров разных возможностей, оптимизированных под разные потребности. Часто корпорации вместо того, что бы совершенствовать текущее ядро, берется за разработку принципиально новой архитектуры. Много процессоров было вытеснено, не выдержав конкуренции или не успев за «прогрессом» конкурента.

Глава 2. Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК

2.1. Классификация микропроцессоров ПК

Микропроцессор - это программно управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС)[6].

Микропроцессоры классифицируют по следующим параметрам:

По числу больших интегральных схем различают микропроцессоры, представленные на рисунке 8:

Микропроцессоры

однокристальные

многокристальные

многокристальные секционные

Рисунок. 8. Классификация микропроцессоров

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC - и RISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing - вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. RISC‑микропроцессоры (reduced instruction set computing - вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации.

Однокристальные микроконтроллеры представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации:

процессор,
ЗУ команд,
ЗУ данных,
генератор тактовых сигналов,
программируемые устройства для связи с внешней средой иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д.[10].

Секционированные микропроцессоры - это микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров, представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения нескольких секций.

По назначению различают (рисунок 9)

Микропроцессоры

универсальные

специализированные

Рисунок 9. Классификация микропроцессоров по назначению

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач, 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.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают микропроцессоры (рисунок 10).

микропроцессоры

цифровые

аналоговые

Рисунок 10. Классификация микропроцессоров по виду обрабатываемых входных сигналов

Аналоговые микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов, выполняют функции любой аналоговой схемы. 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.

По характеру временной организации работы микропроцессоры представлены на рисунке 11.

микропроцессоры

синхронные

асинхронные

Рисунок 11. Классификация микропроцессоров по характеру временной организации работы

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления.

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для этого в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

По организации структуры микропроцессорных систем бывают:

одномагистральные,
многомагистральные.

В одномагистральных устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов. В многомагистральных устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Что позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям.

По количеству выполняемых программ выделяют:

однопрограммные,
многопрограммные.

В однопрограммных выполняется лишь одна программа. В многопрограммных одновременно выполняется несколько программ. Это позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

Таким образом, в зависимости от рассматриваемого параметра существуют различные классификации микропроцессоров. Которые совершенствуются для улучшения производительности.

2.2. Характеристики микропроцессоров

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ.

2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:

m — разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n — разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k — разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20[10].

3) Тип микpопpоцессоpа.

Тип установленного в компьютеpе микpопpоцессоpа является главным фактоpом, опpеделяющим облик ПК. Именно от него зависят вычислительные возможности компьютеpа. В зависимости от типа используемого микpопpоцессоpа и опpеделенных им аpхитектуpных особенностей компьютеpа pазличают пять классов ПК:

- компьютеры класса XT;

- компьютеpы класса AT;

- компьютеpы класса 386;

- компьютеpы класса 486;

- компьютеpы класса Pentium[6].

4) Быстpодействие микpопpоцессоpа - это число элементаpных опеpаций, выполняемых микpопpоцессоpом в единицу вpемени (опеpации/секунда).

5) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

В соответствии с аpхитектуpными особенностями, опpеделяющими свойства системы команд, pазличают:

- микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

- микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

- микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

- микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др. [6].

2.3. Структура микропроцессора

В состав микропроцессора входят следующие устройства:

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. АЛУ выполняет арифметические операции « + », « – », « ´ » и « ÷ » только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, то есть только над целыми двоичными числами[5].
Управляющее устройство (УУ). Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:

формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.
Кэш-память. Буферная память - своеобразный накопитель для данных. В совре-— небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня - чуть помедленнее, зато больше - от 128 килобайт до 2 Мб.

6. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера и включает в себя:

внутренний интерфейс микропроцессора;
буферные запоминающие регистры;
схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной .

На физическом уровне микропроцессор взаимодействует с памятью и системой ввода-вывода через единый набор системных шин - внутрисистемную магистраль[7]. В ее состав входят:

1. Адресная шина. Шина или часть шины, предназначенная для передачи адреса, а именно используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

2. Шина команд. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

3. Шина данных — информационная магистраль, благодаря которой процессор может обмениваться данными с другими устройствами компьютера.

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рисунке 12.

Рисунок 12. Архитектура типового микропроцессора

Микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.

Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации[4]:

Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.
Арифметические операции, к которым в основном относят операции сложения и вычитания. Умножение и деление обычно реализуется с помощью специальных программ.
Логические операции, позволяющие компьютеру производить анализ получаемой информации. Простейшими примерами команд рассматриваемой группы могут служить сравнение, а также известные логические операции и, или, не.
двоичного кода влево и вправо. В некоторых случаях сдвиги используются для реализации умножения и деления.
Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.
Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда относят условный и безусловный переходы, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Часто к этой группе относят операции по управлению процессором типа останов или нет операции.

Таким образом, микропроцессор выполняет следующие функции:
выборку команд программы из основной памяти;
дешифрацию команд;
выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;
управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;
отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;
управление и координацию работы основных узлов МП.

Заключение

В последние годы произошли кардинальные изменения в области вычислительной техники. Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились малогабаритные, удобные для пользователя персональные компьютеры и в роли пользователя может быть не только специалист по вычислительной технике, но и любой человек.

Однако процесс повышения быстродействия микропроцессорных устройств идет неуклонно вперед и в настоящее время существуют микропроцессоры, минимальное время выполнения команды у которых достигает 5 нс. С помощью современных микропроцессоров уже сегодня возможно создавать системы управления с полосой пропускания в десятки и даже сотни Кгц. В свою очередь, аналоговые системы несмотря на практически мгновенное протекание сигналов также обладают конечным быстродействием из-за не идеальности компонентов и наличия паразитных реактивных связей в системе. Временные параметры цифровых систем, в отличие от аналоговых, не изменяются с течением времени и не зависят от внешних факторов.

Таким образом, в настоящее время, благодаря всему вышеперечисленному идет полномасштабное внедрение микропроцессорной техники практически во все сферы деятельности, где еще вчера господствовали аналоговые методы обработки информации.

В современной преобразовательной технике микроконтроллеры выполняют не только роль непосредственного управления полупроводниковым преобразователем за счет встроенных специализированных периферийных устройств, но и роль цифрового регулятора, системы защиты и диагностики, а также системы связи с технологической сетью высшего уровня.

Список использованной литературы

Гивоне, Д. Микропроцессоры и микрокомпьютеры: Вводный курс / Д. Гивоне, Р. Россер. - М.: Мир, 2016. - 464 c.
Иванов, В.Н. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник / В.Н. Иванов. - М.: Academia, 2018. - 303 c.
Иванько, А.Ф.Структура и архитектура микропроцессоров современных персональных электронных вычислительных машин: Учеб. пособие для специальности 210100 «Упр. и информатика в техн. Системах» / А.Ф. Иванько; М-во образования Рос. Федерации. Моск. гос. ун-т печати. - М.: Изд-во МГУП, 2000. - 83 с.
Информатика. Базовый курс. 2-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2016 - 640с.
Калабегов, Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы / Б.А. Калабегов. - М.: Горячая линия-Телеком, 2017. - 336 c.
Калашников, В.И. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник / В.И. Калашников. - М.: Академия, 2018. - 544 c.
Калашников, В.И. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для студ. учреждений высш. проф. обр. / В.И. Калашников, С.В. Нефедов. - М.: ИЦ Академия, 2017. - 368 c.
Коледов, Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебное пособие / Л.А. Коледов. - СПб.: Лань, 2018. - 400 c.
Костров, Б. Архитектура микропроцессорных систем / Б. Костров. - М.: Диалог-МИФИ, 2017. - 304 c.
Левенталь, Л. Введение в микропроцессоры: Программное обеспечение, аппаратные средства, программирование / Л. Левенталь. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 464 c
Микушин, А.В. Цифровые устройства и микропроцессоры / А.В. Микушин. - СПб.: BHV, 2019. - 832 c.
Микушин, А.В. Программирование микропроцессорных систем на языке C-51. / А.В. Микушин, В.И. Сединин. - М.: Горячая линия -Телеком , 2018. - 216 c.
Новиков, Ю.В. Основы микропроцессорной техники: Учебное пособие / Ю.В. Новиков, П.К. Скоробогатов. - М.: БИНОМ. ЛЗ, ИНТУИТ.РУ, 2017. - 357 c.
Новожилов, О.П. Основы микропроцессорной техники в 2-х томах Кн.1: Учебное пособие / О.П. Новожилов. - М.: РадиоСофт, 2017. - 432 c.
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.
Палагута, К.А. Микропроцессоры и интерфейсные средства / К.А. Палагута, А.В. Кузнецов. - М.: МГИУ, 2018. - 96 c.
Федоров, В.А. Электроника и микропроцессорная техника (для бакалавров) / В.А. Федоров, В.И. Моряков, Ю. Щетинов. - М.: КноРус, 2019. - 800 c.
Хартов, В.Я. Микропроцессорные системы: Учебное пособие / В.Я. Хартов. - М.: Academia, 2017. - 320 c.
Холленд, Р. Микропроцессоры и операционные системы / Р. Холленд. - М.: М., Энергоатомиздат, 2015. - 192 c.
Шагурин, И.И. Современные микроконтроллеры и микропроцессоры / И.И. Шагурин. - М.: Горячая линия -Телеком, 2018. - 952 c.