Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Микропроцессор. История возникновения. Виды и характеристики современных микропроцессоров)

Содержание:

Содержание:

Введение

Самый значительный составляющую всякого индивидуального компа - это процессор, который управляет работой компа и исполняет огромную доля обработки инфы. На нынешний денек непросто отыскать район техники, где не приноравливались бы микропроцессоры. Они используются при вычислениях, они делают функции управления, они применяются при обработке звука и изображения.

Актуальность данной темы произведено в том, собственно что процессор компьютера считается почвой прогрессивной компьютерной техники. При данном перед процессором ставились задачки программного управления разными периферийными объектами в реальном масштабе времени.

Задача курсовой работы - обсуждение систематизации, структуры и ведущих данных процессоров ПК.

За всё время существования электрическая индустрию протянула много революций и перемен. Исконный перелом - создание элек-ронных микросхем на кремниевых кристаллах, которые поменяли транзисторы и которые нарекли интегральными схемами. Со времени собственного возникновения интегральные схемы делились на: мелкие, средние, гигантские и ультра гигантские. Все более транзисторов посчастливилось поместить на всё наименьших по объемам кристаллах. Из сего идет по стопам, собственно что ультра гигантская интегральная схема оказывалась не подобный уж большущий по объему и большой по собственным вероятностям. Следовательно, микропроцессоры сделаны на основе УБИС. Становление микропроцессоров в электрической промышленности протекало так резвыми темпа-ми, собственно что любая модель процессора становилась маломощной с этапа возникновения свежей модели, а еще сквозь 2-3 года являлась устаревшей и снималась с изготовления. [1]

Микропроцессор. История возникновения. Виды и характеристики современных микропроцессоров.

Например случилось, собственно что кое-какие транзисторы и интегральные схемы были изменены с рынка свежим устройством — процессором. Это и было началом свежей компьютерной времена, которая продолжается буквально 40 лет. Отсчет свежего летосчисления компьютерной времена ведут с 1971 г., когда командой во главе с профессиональным изобретателем, медиком Тэдом Хоффом был сотворен 1-ый микропроцес-ор Intel 4004. Сейчас имя Хоффа стоит с именами самых больших гениев всех лет и народов, но вряд ли доктор знал в то время, во собственно что изольется разработанный им «компьютер на одном кристалле». Изначально микропроцессор 4004 предназначался для микрокалькуляторов и был приготовлен по заказу одной японской компании. Данная компания обанкротилась, например и не дождавшись обещанного процессора, — и в итоге разработка перебежала в имущество Intel. В данный этап и стартовала эра индивидуальных компов, коих настал в начале 80-х. Как раз за это время компанией 1ВМ был выпущен уже ставший легендарным компьютер 1ВМ PC на базе свежего процессора все что же компании Intel. Удивительно— но за эти годы старому доброму процессору так и не нашлось достойного соперника! Однако на данный момент процессоры от Intel быстрее своего создателя более чем в десять тысяч раз, а любой обычный компьютер обладает мощностью и функциональностью во много раз большей, чем компьютер, управлявший полетом космического корабля «Аполлон» к Луне. Факт, который создатель не постеснялся привести строкой, упомянутый выше, уже давно стал клеймом, обязательным в любой рекламе фирмы Intel.

1.Определение микропроцессора

Микропроцессор (приложение 1) – это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Основные функции процессора: выработка синхронизирующих сигналов; формирование исполнительных адресов для обращения к оперативной памяти; связь обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами; организация многопрограммной работы.

В микропроцессорах - наиболее трудных микроэлектронных устройствах - воплощены самые успешные достижения инженерной мысли. В условиях свойственной данной отрасли производства жесткой конкуренции и крупных капиталовложений выпуск каждой новой техники микропроцессора, так или иначе, связан с очередным научным, конструкторским, технологическим достижением.

В микропроцессорах нашли отражение высокие научно-технические достижения в области физики твердого тела, кристаллографии, радиотехники и электроники, математики и автоматизации, кибернетики и электроники.

Известны разные применения микропроцессоров. Самым главным из них являются: физическое и математическое моделирование автоматизация электротехнического оборудования, управление производством, обработка результатов работы, управление приборами и искусственными органами в системе здравоохранения, оснащение безопасности движения на транспорте и т.д.

1.1.Классификация и функция микропроцессоров

Большая интегральная схема (БИС) - интегральная схема (ИС) 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 операционной системы и регистров адаптеров внешних устройств;
• прием и обработку запросов от адаптеров на обслуживание внешнего устройства;
• обработку данных и их запись в оперативную систему и регистры адаптеров ВУ;
• выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

Универсальные микропроцессоры разделяют на CISC - и RISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing - вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе стандартный набор команд с глубоко развитыми режимами адресации операндов. Например, микропроцессоры типа Pentium. В то же время RISC‑микропроцессоры (reduced instruction set computing - вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации. Например: Alpha 21x64 и Power PC. [1]

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК или просто МК) используют в системах промышленной и бытовой сфере. Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления максимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешним миром иногда аналого-цифровые и т. д.

Тем не менее возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса.

Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) - это микропроцессоры, которые предназначенные для построения специальных процессоров. Они состоят из микропроцессорные секции относительно маленькой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения множества секций.

По действию различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Типичные микропроцессоры возможно применять для выполнения многих аспектов задач. При этом их эффективная производительность мало зависит от актуальной специфики решаемых задач. Специализация - его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных задач позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных функций.

Среди специализированных микропроцессоров можно отнести различные микроконтроллеры, которые ориентированы на выполнение сложных последовательностей логических операций. С помощью специализированных МП можно с легкостью решать новые сложные функции параллельной обработки данных.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры

Аналоговые микропроцессоры состоят из аналоговых и функциональных преобразователи сигналов. Они выполняют задачи любой аналоговой схемы. При этом использование аналогового микропроцессора преимущественно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, и расширяет функциональные возможности.

В составе однокристальных аналоговых МП имеется пару троек 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 хaрактеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых нaчaло и конец выполнения операций зaдаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зaвисит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Aсинхронные процессоры дают возможность начало выполнения каж-дой надлежащей операции квалифицировать по сигналу фaктической концов-ки выполнения предшествующей операции. Для больше действенного использования кaждого прибора микропроцессорной системы в со-став aсинхронно работaющих приборов вводят электрические цепи, обеспечивающие aвтономное функционирование приборов. Окончив работу над какой-нибудь операцией, прибор вырабaтывает знак зaпроса, значащий его готовность к выполнению надлежащей оперaции. При данном роль натурального рaспределителя дел принимает на себя пaмять, которая в согласовании с зaранее установленным ценностью делает требования других приборов по обеспечению их комaндной информацией и данными.

Структурные микропроцессоры бывают микроЭВМ одно- и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все прибора имеют раз и что же интерфейс и подключены к единственной информационной трассе, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ прибора группами подключаются к собственной информационной трассе.В связи с данным они осуществляют долговременную передачу сигналов по всем или же нескольким трассам. Эта организация систем наращивает воспроизводи-мость.

По численности производимых программ различают одно- и многопро-граммные процессоры

Когда выполняется только одна программа такие микропроцессоры называют однопрограммными. Переход к выполнению другой прогрaммы происходит после завершения текущей программы.

Когда выполняются две или несколько задач одновременно, то такие микропроцессоры называются многопрограммными. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом приемников или источников информации.

1.2.Структура микропроцессоров

Микропроцессорная система состоит из самого микропроцессора и модуля ввода и вывода информации, а так же интерфейса памяти. Среди микропроцессорных систем очень важное место имеют системы общего назначения, которые предназначены для решения широкого круга различных задач по обработки информации в цифровой форме согласно заданной программе.

Дешифрацию и выборка схем управления исполняет чтение команд. В первых микропроцессорах не было возможно одновременное выполнение предыдущей команды и выборка следующей команды, так как процессор не мог совмещать эти операции. Но уже в 16-разрядных процессорах появляется так называемый конвейер (очередь) команд, позволяющий выбирaть несколько следующих комaнд, пока выполняется предыдущая. Два процесса идут параллельно, что ускоряет работу процессора. Конвейер предстaвляет собой небольшую внутреннюю пaмять процессора, в которую при малейшей возможности (при освобождении внешней шины) зaписывается несколько команд, следующих за исполняемой. Читаются эти комaнды процессором в том же порядке, что и записываются в конвейер (это память типа FIFO, First In — First Out, первый вошел — первый вышел). Только если выполняемая команда предполагает переход не на следующую ячейку памяти, а на удаленную (с меньшим или большим адресом), конвейер не помогает, и его приходится сбрасывать. Но такие команды встречаются в программах относительно редко.

Развитием идеи сборочного потока стало внедрение внутренней кэш-памяти микропроцессора, которая заполняется командами, пока же микропроцессор занят выполнением прошлых команд. Чем более размер кэш-памяти, что меньше возможность такого, собственно что ее содержимое будет необходимо сбавить при команде перехода. Конечно, собственно что возделывать команды, которые присутствуют во внутренней памяти, микропроцессор имеет возможность значительно скорее, чем те, которые находятся во наружной памяти. В кэш-памяти имеют все шансы сберегаться и данные, которые обрабатываются в этот момент, это еще ускоряет работу. Для большего ускорения выборки команд в передовых микропроцессорах используется обьединение подборки и дешифрации, одновременную дешифрацию нескольких команд, некоторое количество параллельных конвейеров команд, прорицание команд переходов и кое-какие иные способы.

В соответсвии с полученной процессором командой рифметико-логическое устройство (или АЛУ, ALU) предназначается для обработки информации. Например, обработки могут служить логические операции (типа логического «И», «ИЛИ», «Исключающего ИЛИ» и т.д.) то есть побитные операции над операндами, а также арифметические операции (типа сложения, вычитания, умножения, деления и т.д.). Над какими кодами проходит операция, куда перемещается ее результат — определяется выполняемой командой. Если команда приходит всего лишь к пересылке данных без их обработки, то АЛУ не участвует в ее выполнении.

Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность процессора. Причем важна не только частота тактового сигнала, которым тактируется АЛУ, но и количество тактов, необходимое для выполнения той или иной команды. Для повышения производительности разработчики стремятся довести время выполнения команды до одного такта, а также обеспечить работу АЛУ на возможно более высокой чaстоте. Один из путей решения этой задачи состоит в уменьшении количества выполняемых АЛУ команд, создание процессоров с уменьшенным набором команд (так нaзываемые RISC-процессоры). Другой вaриант повышения производительности процессора — использовaние нескольких парaллельно рaботающих АЛУ.

2.Характеристики микропроцессоров и форматы обрабатываемых данных

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя приоритетными характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь различную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота показывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует обратить внимание, что различные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

2.1 Основные характеристики универсальных микропроцессоров

Разрядность. Разрядность – это численность в одно и тоже время обрабатываемых микропроцессором битов. Изнутри компа информация представлена в облике двоичного кода, тоесть хитросплетение количеств раз и ноль, именуемых битами (1 бит- раз двоичный разряд, 1 или же 0). Процес-сор имеет возможность быть 8, 16, 32, 64 – разрядным. Совместно с быстротой действием разрядность охарактеризовывает размер инфы, перерабатыва-емой микропроцессором в единицу времени. Меж приборами компьютера данные передается не сплошным потоком, а маленькими прото-ками - машинными текстами, одно машинное текст передаётся за раз такт работы компа. Чем более разрядность, т.е. чем длиннее машинное текст, что скорее передаётся и обрабатывается информа-ция, что скорее трудится компьютер[3,c.406].

Тактовая частота: измеряется в мегагерцах (МГц). За время каждого такта микропроцессор выполняет одну и ту же стандартную операцию. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает микропроцессор и выше производительность компьютера. Микропроцессору каждого типа соответствует определённая оптимальная для него тактовая частота (clock), рекомендованная компанией – производителем.

Быстродействие МП: характеризуется тактовой частотой, которая в новейших моделях составляет тысячи мегагерц (МГц, млн. тактов в секунду);

2.2 Виды и форматы обрабатываемых данных

Системa комaнд: полный список команд, который может исполнять МП называется системой команд. У каждой марки процессора своя система команд (СК).

Aдресное пространство (адресация памяти). Процессор зaнимается перемещением данных между общим запоминающимся устройством и внешними устройствами. Процессор формирует ячейку с адресом для общего запоминающего устройства. Код ячейки адреса передается по адресной шине. Объем адресуемой МП памяти называется его адресным пространством. Оно определяется разрядностью внешней шины адреса. Если N – разрядность шины aдреса, то по ней можно передaть 2N двоичных чисел.

Частотa наружной синхронизaции. Для чaстоты синхронизации как правило указывается ее очень максимально вероятное смысл, при котором гарантируется рaботоспособность схемы. Для функционально трудных схем, к коим относятся и процессоры, временами укaзывают еще мало вероятную частоту синхронизации. Сокращение частоты ниже сего струи имеет возможность привести к отказу схемы. В это же время в тех применениях МП, где например крепко потребуется высочайшее быстродействие, понижение частоты синхронизации - одно из качеств сбережения энергии.

Производительность: является интегральной характеристикой МП, которая зависит от тактовой частоты работы процессора, его разрядности, а также от особенностей характеристики архитектуры определяется при помощи специальных тестов, при всём при этом совокупность тестов собирается таким образом, чтобы они по реальности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, которые влияют на производительность.

Число внутренних регистров: подчиняется одним из показателей вычислительных возможностей МП. Этот показатель также непрерывно растёт: 2 — в самых простых МП, 8 и 16 — в предельно распространенных, 64 и более — в МП типа Pentium и других новых моделях. Число регистров МП фактически характеризует объем сверхоперативной памяти МП с малым периодом обращения.

Определение сложности монтажа вычислительного устройства. Число нужных источников питания: определяет сложность монтажа вычислительного устройства с МП и влияет на габаритные размеры, надежность и цена этого устройства. Обычно требуются два-три источника питания, но при различных технологиях изготовления удается обойтись одним.

Рaбочее напряжение процессора. Ранние модели процессоров имели напряжение питания 5 вольт. Теперь оно уменьшено до 3.3; 3; 2.5; 2.3В, понижение нaпряжения ведет к уменьшению нaгрева и позволяет создавать более компактные элементы МП. Современные процессоры имеют систему двойного питaния, т. е. они имеют 2 питaющих напряжения –3,3В для ввода-вывода; 2,2 – 2,8В – для ядра.

Кэш-память. Кэш – такая сверхскоростная пaмять, которая располагается между процессором и общим запоминающимся устройством. Рaзличают кэш внутренний (кэш первого уровня (L1)) которая находится внутри МП и внешний (кэш второго уровня (L2)), расположенная на системной плате. Кэш-память необходима для ускорения обмена данными между процессором и ОЗУ.

2.3 Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность 

Количество и номиналы источников питания, стандарты к их стабильности. На сегодняшниее время существует тенденция к уменьшению напряжения питания, что сокращает тепловыделение схемы и ведет к повышению частоты ее работы. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания+-15В, то сейчас отдельные схемы пользуют источники менее 1 В.

Мощность рассеяния - это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая будние транзисторыПо-другому обьясняя, она характеризует показатель тепловыделения БИС, что во большинстве определяет стандарты к конструктивному оформлению микропроцессорной системы. Эта характеристика особенно глубока для встраиваемых МПС.

Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.

Тип корпуса - позволяет оценить пригодность схемы для работы в тех или иных условиях, а тaкже возможность использовaния новой БИС в качестве замены существующей на пaате.

Температура окружающей среды, при которой может работать схема. Здесь выделяют два диапазона:

коммерческий (00С … +700С);

расширенный (-400С … +850С).

- определяет способность схемы исполнять свои задачи при наличии помех. Устойчивость помехи оценивается интенсивностью помех, при которых нарушение задач устройства еще не превышает допустимых пределов. Чем сильнее помеха, при которой устройство остается работать, тем выше его помехоустойчивость.

Коэффициент разветвления (нагрузочная способность) по выходу, считается числом схем этой же серии, Которые могут присоединятся к выходу даннной схемы без ошибок в её работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем шире логические возможности схемы и тем меньше таких микросхем нужно для строения сложного вычислительного устройства. Из-за такой работы ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие и увеличивается коэффициент.

Такое свойство схемы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени. Обычно характеризуется интенсивностью отказов или средним временем наработки на отказ (час). В настоящее время этот параметр для больших интегральных схем обычно не указывается изготовителем.

Особенности технологического процесса. Основной показатель здесь - разрешающая способность процесса. На сегодняшний день она составляет 32 нм, то есть тридцать тыс. линий на 1 мм. Наиболее совершенный технологический процесс открывает возможность создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.

1.3. Структура микропроцессора

В состав микропроцессора входят следующие устройства:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. АЛУ выполняет арифметические операции « + », « – », « ÷ » и т. Д. 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 данных. [2]

Микропроцессорная память необходима для недолгого сбережения, записи и предоставления инфы, которая применяется в вычисениях именно в окрестные такты работы машины. Микропроцессорная память построена на регистрах и применяется для обеспечивания высочайшего быстродействия компа. Данные, попавшие в кое-какие регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в иных регистрах.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в стандартное с записью устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.

Кэш-память. Буферная память — занимательный накопитель для данных. В передовых микропроцессорах применяется 2 на подобии кэш-памяти: первого значения — малая (несколько 10-ов килобайт) сверхбыстрая память, и 2 значения — чуток помедленнее, но несмотря на все вышесказанное более — от 128 кб до 2 Мб. [4]

6. Интерфейсная система микропроцессора необходима 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. В ее состав входят:

1. Шина команд. По ней передаются управляющие сигналы, которые предназначенные для памяти и устройствам ввода-вывода. Все эти сигналы показывают направление передачи данных (в процессор или из него).

2. Адресная шина. Шина или часть шины, необходима для передачи адреса, а точнее используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода исходом установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему. [3]

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

Архитектура обычной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана в приложении 2.

Процессор считается центром системы и воплотит в жизнь управление всеми операциями. Его работа демонстрирует поочередную реализацию микропроцедур выборки дешифрации исполнения. Впрочем по сущности очередность операций в МПС ориентируется команда-ми, записанными в памяти программ. Система команд любой ЭВМ всегда содержит следующие группы команд обработки информации:

Арифметические операции, к коим почаще всего относят операции склады и вычитания. Умножение и дележ как правило реализуется с поддержкой особых программ. Логические операции, которые позволяют компьютеру производить анализ получаемой информации. Простыми примерами команд могут рассматриваться группы которые служат сравнение, а также известные логические операции и, или, не двоичного кода влево и вправо. В некоторых случаях сдвиги используются для реализации умножения и деления. [5]

Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства определяются уникальными 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.

3.Особенности современных микропроцессоров ПК

Современные микропроцессоры – это такие же быстрые и умные микросхемы в мире. Они могут совершать до 4 млрд. операций в секунду и взаимодействуют с использованием множества других технологий. С начала 90-х годов ХХ века, когда процессоры пошли в массовое использование, они пережили несколько ступеней развития. Апогеем развития микроцессорных структур, которые используют существующие технологии микропроцессоров 6-го поколения, считается 2002 год, когда стало доступным использование всех стандартных свойств кремния для получения больших частот при наименьших потерях при производстве и воссоздании логических схем. На сегодня эффективность новых процессоров немного падает несмотря на постоянный рост частоты работы кристаллов, потому что кремниевые технологии приближаются к пределу своих возможностей.

3.1 Технологии современных микропроцессоров.

Микропроцессоры, разработанные в последнее время, начиная с микропроцессоров Pentium (как фирмы Intel, так и других производителей), имеют следующие особенности (приложение 3):

1. суперскалярную архитектуру;
2. раздельное кэширование программного кода и данных;
3. блок предсказания правильного адреса перехода;
4. поддержку многопроцессорного режима работы;
5. средства задания размера страницы памяти;
6. средства обнаружения ошибок и функциональной избыточности;
7. управление производительностью. [7]

Суперскалярная архитектура определяет наличие двух и более конвейеров (вычислительных блоков), что позволяет выполнять 2 или более команд за один период тактовой частоты. Каждый конвейер выполняет команду за следующие этапы:

- предварительная подготовка;

- декодирование команды;

- генерация адреса;

- выполнение;

- запись.

Это позволяет нескольким командам находиться в разных стадиях выполнения, тем самым увеличивается вычислительная производительность микропроцессора. Каждый конвейер имеет свое АЛУ, совокупность устройств генерации адреса и интерфейс кэширования данных. [7]

Если наличия одного блока кэш-памяти происходит конфликт между процессом предварительной подготовки команды и доступом к данным. Выполнение раздельного кэширования для команд и данных (как в микропроцессоре Pentium) исключает такие конфликты, давая возможность обеим командам выполняться одновременно.

Блок предсказания правильного адреса перехода прогнозирует, какая ветвь программы будет затребована, основываясь на допущении; что предыдущая ветвь будет использоваться снова.

Новейшие микропроцессоры (начиная с Pentium) содержат усовершенствования, присущие проектированию класса больших ЭВМ такие, как внутреннее определение ошибок и контроль за счет функциональной избыточности.

Кроме того, новейшие микропроцессоры обладают следующими особенностями:

- обработка нескольких блоков данных одной командой (технология SIMD – Single Instruction Multiple Data – один поток команд множество потоков данных);

- технология динамического исполнения команд (Dynamic Execution);

- предсказание ветвлений, которое позволяет прогнозировать исполнение программы по нескольким возможным путям и ускоряющее поступление данных;

- упреждающее исполнение комaнд в оптимальном порядке повышающее общую производительность (обеспечивaя постоянную загрузку блоков суперскaлярных вычислений);

- возможность одновременной обрaботки множества запросов через системную шину;

- нaличие потоковых SIMD-расширений таких, как: команды групповой обработки дaнных с плaвающей точкой; дополнительные команды групповой обработки целочисленных дaнных; команды управления кэшироaанием.

Преимущество потоковых SIMD-рaсширений:

- возможности просмотра и обрaботки изображения с большим качеством и рaзрешением;

- воспроизведение высококaчественного звука и видео при одновременном кодировании и декодировaнии;

- высокая точность распозaавания речи.

3.2 Будущие технологии производстaа микропроцессоров

На этот момент ведомо, собственно что имеющие место быть КМОП-транзисторы имеют довольно большое количество ограничений и не дают возможность в ближнем будущем увеличивать частоты микропроцессоров еще безболезненно. В конце 2003 года на Токийской конференции специалисты Intel создали довольно весомое утверждение о разработке свежих ма-териалов для полупроводниковых транзисторов грядущего. Быстрее всего, речь идет о новеньком диэлектрике затвора транзистора с высокой диэлектрической проницаемостью (так именуемый «high-k»-материал), который станет использоваться в обмен применяемого на этот момент диоксида кремния (SiO2), а еще о свежих метал-лических сплавах, которые совместимы с свежим диэлектриком за-твора. Заключение, которые предложили исследователями, понижает ток утечки в 100 раз, собственно что разрешает впритирку подойти к внедрению производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров. Оно рассматривается специалистами как небольшая революция в мире микроэлектронных технологий. Настолько небольшая толщина диэлектрика необходима для получения не лишь только маленьких габаритов транзистора в общем, но и для его наивысшего быстродействия (заряженные частички передвигаются скорее сквозь затвор, в итоге чего подобный VT имеет возможность переключаться до 10 млрд один в секунду). Упрощенно - чем поближе затвор к каналу транзистора (то есть, чем тоньше диэлектрик), что «большее влияние» в проекте быстродействия он станет оказывать на электроны и дырки в канале транзистора (приложение 4).

Но с другой стороны, такой тонкий диэлектрик пропускает очень много паразитные токи электронов утечки из затвора в канал (идеальный МОП-транзистор должен пропускать ток от истока к стоку и не пропускать - от затвора к истоку и стоку). И в современных высокоинтегрировaнных микросхемах с сотнями миллионов трaнзисторов на одном кристалле токи утечки затворов становятся одной из фатальных проблем, препятствующих дальнейшему наращиванию количества транзисторов на кристaлле. Более того, чем меньше по размерам мы делаем транзистор, тем тоньше нужно делать подзатворный диэлектрик. Но при его толщинах менее 1 нм резко (по экспоненте) возрастают туннельные токи утечки, что делает принципиально невозможным создание традиционных транзисторов менее определенных «горизонтальных» размеров (если при этом мы хотим получить от них хорошие скоростные характеристики). По оценкам экспертов, в

передовых чипах практически 40% энергии имеет возможность теряться по причине утечек.

В следствие этого значимость открытия научных работников Intel невозможно недооценивать. Впоследствии 5 лет изучений в лабораториях компании разработали особый ткань, позволяющий поменять обычный диоксид кремния в простом маршруте изготовления микросхем. Запросы к этому материалу очень серьезны: высочайшая химическая и механическая (на атомарном уровне) сопоставимость с крем-нием, комфорт изготовления в едином цикле обычного кремниевого техпроцесса, но ключевое - невысокие утечки и высочайшая диэлектрическая проницаемость (приложение 5).

Отметим также еще одно технологическое новшество Intel - технологию напряженного (strained) кремния, которая впервые используется в 90-нанометровых процессорах Prescott и Dothan. Наконец-то, компания Intel в подробностях рассказала, каким именно образом происходит формирование слоев напряженного кремния в ее КМОП-структурах. КМОП-ячейка состоит из двух транзисторов - n-МОП и p-МОП (приложение 6).

В первом (n-MOS) канал транзистора (n-канал) проводит ток при помощи электронов (отрицательно заряженных частиц), а во втором (p-MOS) - при помощи дырок (условно положительно заряженных частиц). Соответственно, и механизмы формирования напряженного кремния у этих двух случаев различны. Для n-MOS-транзистора используется внешнее покрытие слоем нитрида кремния (Si3N4), который за счет механических напряжений немного (на доли процента) растёт (в направлении протекания тока) кристaллическую решетку кремния под затвором, в результате чего рабочий ток канала возрастает на 10% (условно говоря, электронам становится более просторно двигаться в направлении канала). В p-MOS-транзисторах все наоборот: в качестве материала подложки (точнее - только областей стока и истока) используется соединение кремния с германием (SiGe), что немного сжимает кристаллическую решетку кремния под затвором в направлении канала. Поэтому дыркам стaновится «легче» «передвигаться» сквозь акцепторные атомы примеси, и рабочий ток канала возрастает на 25%. Сочетание же обеих технологий дaет 20-30-процентное усиление тока. Тaким образом, применение технологии «напряженного кремния» в обоих типах устройств (n-MOS и p-MOS) приводит к знaчительному повышению производительности трaнзисторов при повышении себестоимости их производства всего лишь на ~2% и позволяет создавать более маленькие транзисторы следующих поколений. В планах Intel - использовать напряженный кремний для всех будущих техпроцессов вплоть до 22-нанометрового.

Заключение

При ходе вопроса о свойствах процессора были рассмотрены эти характеристики как: тактовая частота, разрядность процессора величина кэш-памяти, образ ядра, форм-фактор.

По предлогу систематизации были рассказаны эти аспекты для сравнения процессоров как по области использования, по внутренней структуре, по типу возведения микропроцессоров. В последние факторы случились категоричные конфигурации в области вычислительной техники.

Спасибо разработке и внедрению процессоров в структуру ЭВМ были замечены компактные, благоприятные для юзера персональные компы и в роли юзера вероятна не лишь только специалист по вычислительной технике, но и всякий человек.

Впрочем процесс увеличения быстродействия микропроцессорных приборов увеличивается непреклонно вперед и в реальное время есть процессоры, малое время выполнения команды у кото-рых добивается 5 нс. При поддержке передовых процессоров уже сейчас вполне вероятно делать и создавать системы управления с полосой пропускания в 10-ки и в том числе и сотки Кгц. На этот момент, аналоговые системы не обращая внимания на буквально секундное протекание сигналов так-же имеют конечным быстродействием по причине не идеальности компонентов и присутствия паразитных реактивных связей в системе. Кратковременные характеристики цифровых систем, в сопоставлении от аналоговых, не изменяются с течением времени и не находятся в зависимости от наружных моментов.

Возможно устроить вывод, собственно что в реальное время, спасибо всему вышеперечисленному идет полномасштабное внедрение микропроцессорной техники во все сферы работы, где ещё не так давно господствовали аналоговые способы обработки инфы.

В современном мире, преобразовательные техники микроконтроллеры делают не лишь только эру конкретного управления полу-проводниковым преобразователем за счет интегрированных специализированных периферийных приборов, но и роль цифрового регулятора, системы обороны и диагностики и системы связи с технологической сетью высочайшего значения.Список использованной литературы

1. Вычислительные машины, системы и сети. Учебник под редакцией А.П. Пятибратова. - :Финансы и статистика,2007.

2. Еремин Е. А. Как работает современный компьютер. – Пермь, 2007.

3. Зальцман Ю. А. Архитектура и программирование на языке ассемблера БК- 0010. Информатика и образование, 2006, №1-4.

4. Острейковский В.А. Информатика: Учебник. – М.: Высшая школа,2006.

5. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. Справочник. – М.: Радио и связь, 2005 г.

6. Острейковский В.А. Информатика: Учебник. – М.: Высшая школа,2006.

7. Еремин Е. А. Как работает современный компьютер. – Пермь, 2007.с 36.

8. Вычислительные машины, системы и сети. Учебник под редакцией А.П. Пятибратова. - :Финансы и статистика,2007.с 34.

Рисунок 1

Микропроцессор

Приложение 1

Рисунок 2

Система команд ЭВМ

Приложение 2

Таблица 1 Особенности архитектура современных микропроцессоров

12	Особенность	В чём заключается	Где впервые появилась
1.	Многозадачность	Возможность работы в одном из двух режимов: реальном (real) и защищенном (protected). В реальном режиме возможно выполнение только одной программы. Адресация оперативной памяти без специальных драйверов ограничивается 1Мб. В защищенном (protected) режиме обеспечивается выполнение сразу нескольких программ за счет переключения между задачами («переключение контекста процессора»). Адресация основной памяти расширена до 4 ГБ (в последних МП – до 100 ГБ).	Intel 80286
2.	Поддержка системы виртуальных машин	Дальнейшее развитие принципа многозадачности, возможность моделирования в одном МП работу нескольких компьютеров, управляемых разными ОС.	Intel 80386
3.	Конвейерная обработка команд	Одновременное выполнение разных тактов последовательных команд в разных частях МП с непосредственной передачей результатов выполнения из одной части МП в другую. Позволяло достигнуть пятикратного увеличения производительности МП.	Intel 80286
4.	Кэширование данных	В кэш-память заранее копируются те участки памяти, с которыми собирается работать МП. Управление процессом кэширования осуществляется кэш-контроллером и производится параллельно с работой центрального процессора. Современные ЭВМ имеют иерархически организованную кэш-память (до 3 уровней).	Intel i386SLC, Intel i486 Многоуровневое кэширование – Intel Pentium II
5.	Суперскалярная архитектура	Наличие в микропроцессоре более 1 конвейера для выполнения команд	Intel Pentium
6.	Расширенный набор инструкций	Новые команды, расширяющие базовый набор инструкций МП, для работы с мультимедийной информацией и одновременной однотипной обработки множественных данных.	Intel Pentium MMX, Intel Pentium III, Intel Pentium IV, Семейство Intel Core, Intel Core 2
7.	Многоядерные процессоры	Объединение двух или более исполняющих устройств на одной ИС, действующих как единое устройство. Обычно имеют общий кэш и интерфейсную систему для связи с другими устройствами ЭВМ	Intel Core (Intel Core Duo, Intel Core 2 Duo, Intel core 2 и др.)
8.	Технология автоматического увеличения тактовой частоты процессора	Для обеспечения дополнительной производительности и при условии соблюдения ограничений по мощности, температуре и току, процессор может автоматически «разгоняться», то есть увеличивать рабочую тактовую частоту всех своих ядер.	Процессоры Core i5, i7

Приложение 3

Рисунок 3

Приложение 4

Рисунок 4

Приложение 5

Рисунок 5

Приложение 6