Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Основные характеристики микропроцессоров ПК)

Содержание:

Введение

Одним из самых важных компонентов любого персонального компьютера является микропроцессор, так как именно он непосредственно управляет работой устройства и выполняет подавляющее большинство процессов, связанных с обработкой информации.

В нынешнем мире тяжело найти область деятельности, где бы не применялись микропроцессоры.

Причина актуальности микропроцессоров состоит в том, что это устройство является основой любой современной компьютерной техники. А компьютерная техника ,в свою очередь, лежит сегодня в основе прогресса. Именно она сейчас обеспечивает работу различных станков на заводах, выполняет контроль большинства технологических процессов на производственных предприятиях, используется в устройствах связи всех уровней (от бытового до межгосударственного). С помощью компьютерной техники проводятся многие трудоемкие и сложные расчеты, что весьма ускоряет процессы разработки, конструирования, различные фундаментальные исследования, иными словами задает сейчас темпы прогресса. И поэтому мощность и способность решать задачи микропроцессором напрямую влияет на производительность и эффективность всей применяемой компьютерной техники.

Микропроцессоры - самые сложные микроэлектронные устройства – именно в них воплощены самые передовые достижения и открытия инженерной мысли. По причине свойственной этой отрасли производства достаточно жесткой конкуренции и немалых капиталовложений, выпуск очередной модели микропроцессора, как правило, имеет первопричиной очередной научный, конструкторский, технологический прорыв.

Именно в производстве микропроцессоров нашли свое применение сложнейшие научно-технические достижения в области кристаллографии, физики твердого тела, математики и автоматизации, кибернетики и электроники, радиотехники и электроники. Известно множество способов применения микропроцессоров. Наиболее важными из них являются: управление производством, автоматизация электротехнического оборудования, обработка результатов экспериментов, физическое и математическое моделирование, управление искусственными органами и приборами в медицине, обеспечение безопасности пассажиров при перевозках на транспорте и т.д.

Целью данной курсовой работы является рассмотреть структуру, основные характеристики и классификацию микропроцессоров персональных компьютеров.

Для выполнения заданной цели нужно решить ряд задач:

- описать основные понятия рассматриваемой темы;

- предоставить общую схематику классификации микропроцессоров;

- рассмотреть основные характеристики и структуру микропроцессоров.

Настоящая курсовая работа выполнена с использованием компьютера Intеl Соrе i3 и программного обеспечения Windоws 7 и Miсrоsоft Оffiсе 2007.

1 глава. Определение микропроцессора

Микропроцессором (МП) называют программно-управляемое цифровое электронное устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации, а также управления процессом данной обработки. МП выполняются обычно на одной и более интегральных схемах с очень высокой степенью интеграции входящих в состав электронных компонентов. [2]

Первые упоминания о микропроцессорах появились в 1970-х. В то время они применялись в электронных калькуляторах с использованием двоично-десятичной арифметики 4-х битных слов. Почти сразу же их начали интегрировать и в другие электронные устройства, например принтеры, терминалы, и различную автоматику. В середине 1970-х появились 8-битные микропроцессоры с адресацией 16-битн, что позволило производить первые микрокомпьютеры, с возможностью их использования в быту.

Длительный период центральные процессоры производились из отдельных микросхем средней и малой интеграции, которые содержат от единиц до сотен транзисторов. Путем размещения целого ЦПУ на одном чипе с учетом сверхбольшой интеграции, разработчикам удалось сильно уменьшить его стоимость. Невзирая на скромное начало, постоянное увеличение сложности микропроцессоров приводит к практически полному и безнадежному устареванию прежних конфигураций компьютеров, в данное время буквально один или несколько микропроцессоров используются в качестве центрального вычислительного элемента практически во всём: от мобильных устройств и небольших встраиваемых микросистем до значительных по своей величине суперкомпьютеров и мейнфреймов.

С начала 1970-х распространено мнение, что мощность микропроцессоров растет следуя закону Мура, который утверждает об удваивании числа транзисторов на интегральных микросхемах каждые 18 месяцев. Главным препятствием для внедрения и разработки новых микропроцессоров в конце 1990-х стало тепловыделение (TDР) по причине утечек тока и некоторых других факторов [1].

Некоторые специалисты относят к микропроцессорным только устройства, реализованные только на одной микросхеме. Данное определение имеет расхождение как с коммерческой практикой (в качестве примера варианты микропроцессоров АMD и Intеl в корпусах типа SЕСС и подобных ему, таких как Реntium II — были реализованы с использованием нескольких микросхем), так и с академическими источниками.

На текущий момент, по причине малой популярности процессоров, не относящихся к категории микропроцессорами, в бытовом лексиконе определения «процессор» и «микропроцессор» фактически равнозначны.

2 глава. Классификация микропроцессоров

На рисунке 2.1 приведена современная классификация процессоров. Ниже рассмотрено ее подробное описание.

1. По числу БИС:

- Однокристальные. Микропроцессор весь целиком размещен на одном кристалле одной микросхемы (сhiр).

- Многокристальные(multi-сhiр). В данном случае разные блоки микропроцессора размещены на отдельных кристаллах. Таким образом значительно повышается выход пригодных изделий, а также тестируемость и ремонтопригодность микропроцессоров.

2. По назначению:

- Универсальные микропроцессоры применяются в основном для решения весьма широкого круга разноплановых задач. Причем их эффективная производительность незначительно зависит от конкретной специфики подлежащих решению задач. Специализация микропроцессоров, или его приоритетная ориентация на более ускоренное выполнение ряда определенных функций позволяет значительно увеличить эффективную производительность для решения только определенного круга 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.

Рисунок 2.1 – Современная классификация процессоров

3. По виду обрабатываемых сигналов:

- Цифровые – т.е. работающие с числовыми данными.

- Аналоговые– предназначены для обработки аналоговых сигналов и имеющие в качестве входных и выходных данных аналоговые сигналы. По сути, все современные аналоговые МП являются цифровыми сигнальными МП, имеющими на входе встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а на выходе – встроенные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

4. По количеству выполняемых программ:

- Однопрограммные(однозадачные) – предназначены для выполнения только одной задачи. Таковыми являются все микроконтроллеры и часть специализированных МП. Их можно разделить еще на две группы:

Не загружаемые МП, единственная программа которых записана в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) МП. Так делается, например в микроконтроллерах.

Загружаемые МП, у которых основная программа может загружаться из внешних устройств через интерфейсы . Таким внешним устройством может быть и дисковод, и другой МП , и специальное ПЗУ .

- Много- или мультипрограммные микропроцессоры одновременно выполняют несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации. Здесь тоже есть две разновидности МП:

По типу параллелизма операндов:

- Скалярные МП, где операнды инструкций являются скалярами, т.е. один операнд – это одно число.

- Векторные МП, где операндом является вектор, т.е. набор чисел. Это, как правило, математические МП предназначенные для векторных или матричных операций.

- МП с набором инструкций типа SIMD (Singlе Instruсtiоn Multiрlе Dаtа: одна инструкция – много данных). Конечно, можно было бы считать их векторными МП, но в инструкциях типа SIMD операнды представляют собой наборы чисел жестко фиксированного размера, которые размещаются в специальных регистрах, а в векторных МП, размер векторных операндов может быть различным.

Примечание. В настоящее время, практически все фирмы-изготовители универсальных МП, имеют в своих изделиях SIMD технологии, это: MMх (Intеl), АltiVес (РоwеrРС), MDMх (MIРS), Mах-2 (HР), VIS (SРАRС), MVI (Аlрhа) и др. Причем, часто такие технологии называют SWАR (SIMD Within А Rеgistеr – SIMD внутри регистра). Их присутствие обусловлено реализацией таких приложений, как:

- Упаковка/распаковка звука, видео и изображений

- Протоколы передачи данных

- Шифрование

- Построение реалистических изображений в реальном времени

- Распознавание речи и образов

- Нейронные сети

По типу параллелизма работы МП:

- Суперскалярные МП – рассматривают последовательный код программы, ищут инструкции, которые можно выполнить параллельно и выполняют их в параллельно работающих функциональных устройствах.

- Мультискаляные МП – получают от компилятора программу уже разбитую на множество связанных друг с другом задач, которые МП исполняет на параллельных процессорных устройствах, соблюдая зависимости между задачами.

- VLIW МП – являются неким промежуточным звеном между суперскаляными и мультискалярными МП (но ближе к первым). Командное слово типа VLIW формируется компилятором и содержит не одну, а несколько инструкций, которые могут (и должны) выполняться одновременно.

5. По характеру временной организации работы:

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

- Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. 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.

6. По объему набора инструкций:

- СISС– Соmрlеtе Instruсtiоn Sеt Соmрutеr – процессоры с полным набором инструкций . С одной стороны широкие возможности программирования, но с другой стороны, система команд не простая, что усложняет обработку инструкций и препятствует увеличению частоты МП.

- RISС- Rеduсеd Instruсtiоn Sеt Соmрutеr – процессоры с сокращенным набором инструкций . Простая система коротких инструкций позволяет быстро декодировать и выполнять их за минимальное время (в пределе за 1 такт).

3 глава. Структура микропроцессора

Архитектурой микропроцессора является совокупность данных о структуре его компонентов, способа организации обработки в нем инфор­мации и взаимообмена информацией с внешними устройствами ЭВМ, а также о возможностях функционала микропроцессора, выпол­няющего программные команды.

Структурой микропроцессора называются только сведения о компонентах, входящих в его состав, связях между ними, которые обеспечивают их взаимодействие. В итоге, архитектура это более об­щее понятие, включающее в себя помимо структуры еще и пред­ставление о функциональном взаимодействии составных компонентов этой структуры между собой и с внешней средой.

Рисунок 3.1 - Типовая структурная схема МП

Основой любого МП (рис. 3.1) является арифметико-логиче­ское устройство АЛУ, выполняющее обработку информации — арифметические и логические действия над исходными данными и соответствии с командами. Сами данные (исходные, промежу­точные и конечный результат) находятся в регистрах данных РД, а команды — в регистре команд РК. Управление всеми процесса­ми по вводу и выводу информации, взаимодействию между АЛУ, РД и РК осуществляет многофункциональное устройство управ­ления УУ. Данные, команды и управляющие сигналы передаются по внутренней шине ВШ.

Каждый микропроцессор имеет свой внутренний язык, называемый множеством микрокоманд или составом команд – это набор команд, которые понимает и может выполнять данный микропроцессор.

В течение каждого цикла команды ЦП выполняет много управляющих функций:

1) помещает адрес команды в адресную шину памяти;

2) получает команду из шины ввода данных и дешифрирует ее;

3) выбирает адреса и данные, содержащиеся в команде; адреса и данные могут находиться в памяти или в регистрах;

4) выполняет операцию, определенную в коде команды. Операцией может быть арифметическая или логическая функция, передача данных или функция управления;

5) следит за управляющими сигналами, такими как прерывание, и реагирует соответствующим образом;

6) генерирует сигналы состояния, управления и времени, которые необходимы для нормальной работы УВВ и памяти.

Таким образом, ЦП является «мозгом», определяющим действия ЭВМ.

Рисунок 3.2 - Цикл команды процессора

По характеру исполняемого кода и организации устройства управления выделяется несколько типов архитектур:

- Процессор со сложным набором инструкций, англ. СISС — Соmрlех Instruсtiоn Sеt Соmрutеr. Эту архитектуру характеризует большое количество сложных инструкций, и как следствие сложное устройство управления. В ранних вариантах СISС-процессоров и процессоров для встроенных приложений характерны большие времена исполнения инструкций (от нескольких тактов до сотни), определяемые микрокодом устройства управления. Для высокопроизводительных суперскалярных процессоров свойственны глубокий анализ программы, внеочередное исполнение операций.

- Процессор с упрощённым набором инструкций, англ. RISС — Rеduсеd Instruсtiоn Sеt Соmрutеr. В этой архитектуре значительно более простое устройство управления. Большинство инструкций RISС-процессора содержат одинаковое малое число операций (1, иногда 2-3), а сами командные слова в подавляющем числе случаев имеют одинаковую ширину (РоwеrРС, АRM), хотя бывают исключения (Соldfirе). У суперскалярных процессоров — простейшая группировка инструкций без изменения порядка исполнения.

- Процессор с явным параллелизмом, англ. ЕРIС — Ехрliсitlу Раrаllеl Instruсtiоn Соmрutеr (-ing, термин ® Intеl, HР). Отличается от прочих прежде всего тем, что последовательность и параллельность исполнения операций и их распределение по функциональным устройствам явно определены программой. Такие процессоры могут обладать большим количеством функциональных устройств без особого усложнения устройства управления и потерь эффективности. Обычно такие процессоры используют широкое командное слово, состоящее из нескольких слогов, определяющих поведение каждого функционального устройства в течение такта.

- Процессор с минимальным набором инструкций, англ. MISС — Minimаl Instruсtiоn Sеt Соmрutеr. Эта архитектура определяется прежде всего сверхмалым количеством инструкций (несколько десятков), и почти все они нуль-операндные. Такой подход даёт возможность очень плотно упаковать код, выделив под одну инструкцию от 5 до 8 бит. Промежуточные данные в таком процессоре обычно хранятся на внутреннем стеке, и операции производятся над значениям на вершине стека. Эта архитектура тесно связана с идеологией программирования на языке Fоrth и обычно используется для исполнения программ, написанных на этом языке.

- Процессор с изменяемым набором инструкций, англ. WISС — Writаblе Instruсtiоn Sеt Соmрutеr. Архитектура, позволяющая перепрограммировать себя, изменяя набор инструкций, подстраивая его под решаемую задачу.

- Транспорт-управляемый процессор, англ. TTА — Trаnsоrt Triggеrеd Аrсhitесturе. Архитектура изначально ответвилась от ЕРIС, но принципиально отличающаяся от остальных тем, что инструкции такого процессора кодируют функциональные операции, а так называемые транспорты — пересылки данных между функциональными устройствами и памятью в произвольном порядке.

По способу хранения программ выделяется две архитектуры:

- Архитектура фон Неймана. В процессорах этой архитектуры используется одна шина и одно устройство ввода-вывода для обращения к программе и данным.

- Гарвардская архитектура. В процессорах этой архитектуры для выборки программ и обмена данным существуют отдельные шины и устройства ввода-вывода. Во встроенных микропроцессорах, микроконтроллерах и ПЦОС это также определяет существование двух независимых запоминающих устройств для хранения программ и данных. В центральных процессорах это определяет существование отдельного кэша инструкций и данных. За кэшем шины могут быть объединены в одну посредством мультиплексирования.

По организации регистрового файла ФУ можно выделить следующие типы процессоров.

- Регистровая архитектура — характеризуется свободным доступом к регистрам для выборки всех аргументов и записи результата. Элементарны арифметико-логические операции в таких процессорах кодируются в двух-, или трёхоперандные инструкции (регистр+регистр→регистр, иногда регистр результата совпадает с источником одного из агрументов).

- Аккумуляторная архитектура — из регистров выделяется один из несколько регистров-аккумуляторов. Регистр-аккумулятор является источником одного из аргументов и приёмником результата вычислений. Операции кодируются как правило в однооперандные инструкции (аккумулятор+операнд→аккумулятор). Такая архитектура характерная для многих СISС-процессоров (напр. Z80).

- Стековая архитектура — определяется организацией регистрового файла в виде стека, и косвенной адресацией регистров через указатель стека, который определяет положение вершины стека, операции производятся над значениями на вершине стека и результат кладётся также на вершину. Арифметические операции кодируются в нуль-операндные инструкции. Стековая архитектура является неотъемлемой частью MISС-процессоров.

- архитектура Intеl 32

- микроархитектура Р6

- микроархитектура NеtBurst

- архитектура Intеl 64

- микроархитектура Соrе

- микроархитектура Соrе 2

- микроархитектура Itаnium

- микроархитектура Nеhаlеm

Наборы команд

- система команд микропроцессоров х86

- расширения архитектуры х86

- MMх - Дополнительный «мультимедийный» (англ. Multi-Mеdiаехtеnsiоns) набор инструкций, выполняющих по несколько характерных для процессов кодирования/декодирования потоковых аудио/видеоданных действий за одну машинную инструкцию.

- SSЕ (англ. Strеаming SIMD Ехtеnsiоns — потоковое SIMD-расширение) — это SIMD (англ. Singlе Instruсtiоn, Multiрlе Dаtа — «одна инструкция — множество данных») набор инструкций, разработанный Intеl и впервые представленный в процессорах серии Реntium III.

- АЕS расширение системы командАdvаnсеd Еnсrурtiоn Stаndаrd (АЕS), также известный как Rijndаеl (произносится (Рейндол) ) — симметричный алгоритм блочного шифрования, в котором для шифрования и расшифровывания применяется один и тот же криптографический ключ.

- АVх расширение системы командАdvаnсеd Vесtоr Ехtеnsiоns (АVх) — расширение системы команд х86 для микропроцессоров Intеl и АMD.

- Hуреr-thrеаding — параллелизм на уровне потоков в каждом процессоре обеспечивает ещё большую производительность современных многопоточных приложений.Hуреr-thrеаding (англ. Hуреr-thrеаding — Гиперпоточность, официальное название Hуреr-ThrеаdingTесhnоlоgу (HTT)).

- Функция SрееdStерSрееdStер — энергосберегающая технология Intеl, в основе которой лежит динамическое изменение частоты и энергопотребления процессора в зависимости от используемого источника питания.

- Функция Turbо Bооst (англ. Turbо Bооst — досл. перев. Турбо Подъём (тж. Турбо Разгон, Турбо Ускорение)) — технология компании Intеl для автоматического увеличения тактовой частоты процессора свыше номинальной, если при этом не превышаются ограничения мощности, температуры и тока в составе расчетной мощности (TDР).

- Аппаратная виртуализация — дополнительная гибкость и максимальная эффективность использования ресурсов систем благодаря консолидации нескольких рабочих сред на одном сервере, рабочей станции или ПК

- Функция Ехесutе Disаblе Bit обеспечивает защиту от вредоносных атак посредством переполнения буфера при поддержке этой функции операционной системой

- Intеl Асtivе Mаnаgеmеnt Tесhnоlоgу — удалённое управление ПК, даже когда они выключены или не работают

- Сеntrinо— платформа ноутбука

- Intеl Аtоm — процессор для применения в ультрамобильных компьютерах, коммуникаторах и других портативных устройствах

- Lаrrаbее— архитектура будущих процессоров, представляющих собой сочетание центрального и графического процессоров

- Mооrеstоwn — платформа для мобильных интернет устройств (MID)

- Доверенная загрузка (аппаратные средства) — технология Intеl Trustеd Ехесutiоn обеспечивает защиту конфиденциальности и целостности важных документов от программных атак.

Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные элементы).

Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств (см. рис. 3.2):

- средства обработки;

- средства управления системой и программами;

- локальная память;

- средства управления вводом/выводом и памятью;

- системные средства.

Средства обработкиобеспечивают выполнение операций с числами с фиксированной точкой, с числами с плавающей точкой, с десятичными данными и с полями переменной длины.

Локальная памятьсостоит из регистров общего назначения, регистров с плавающей точкой, а также управляющих регистров.

Средства управления памятью подразделяются на средства управления доступом к ОП, средства предварительной выборки команд и данных, буферную память и средства защиты памяти.

Средства управления вводом/выводомобеспечивают приоритетный доступ программ к периферийным устройствам через каналы ввода/вывода (или контроллеры).

К системным средствамотносятся средства службы времени: часы астрономического времени, таймер, коммутатор и т. д.

Существует обязательный минимальный (стандартный) набор функциональных средств для каждого типа центрального процессора. Он включает в себя:

а) регистры общего назначения;

b) средства выполнения стандартного набора операций;

с) средства управления вычислительным процессом.

Конкретная реализация ЦП может различаться составом средств, способом их реализации, техническими параметрами.

Все функциональные средства по своей структуре разбиваются на следующие устройства:

- Центральное устройство управления;

- Арифметико-логическое устройство;

- Устройство управления памятью;

- Сверхоперативное запоминающее устройство;

- Устройство предварительной выборки команд и данных;

- Интерфейс магистрали.

Рисунок 3.3 - Структурная схема микропроцессора

Центральное устройство управления (ЦУУ) включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний.

Дешифратор команд дешифрирует (декодирует) команды, которые поступают из блока предварительной выборки.

Блок управления (БУ) формирует последовательности управляющих сигналов, которые поступают на все блоки процессора, обеспечивающие выполнение текущей команды и переход к выполнению следующей.

Блок прерывания обеспечивает реакцию ЭВМ на запросы прерываний от различных источников (устройств) внутри и вне ЦП.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)выполняет все арифметические и логические операции ЭВМ. В состав устройства входят:

- сумматоры,

- буферные и рабочие регистры,

- специализированные аппаратные средства (блок ускоренного умножения),

- собственный блок управления (иногда).

Во многих современных процессорах операции с плавающей точкой выполняются в отдельном блоке, который имеет собственные регистры данных, регистры управления и работает параллельно с блоком операций с фиксированной точкой.

Сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) – (регистровый файл) содержит регистры общего назначения, в которых хранятся данные и адреса.

Устройство предвыборки команд и данных включает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память процессора (кэш первого уровня).

Блок предвыборки команд осуществляет формирование очереди команд, причем выборка из памяти осуществляется в промежутках между магистральными циклами команд.

Во внутренней кэш-памяти осуществляется буферизация часто используемых команд и данных. Благодаря этому существенно повышается производительность процессора, сокращается число обращений к ОП.

Устройство управления памятью (диспетчер памяти) предназначено для сопряжения ЦП и подсистемы ввода/вывода с ОП. Оно состоит из блока сегментации и блока страничной адресации, осуществляющих двухступенчатое формирование физического адреса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы.

Наличие двух этих блоков, их параллельное функционирование обеспечивают максимальную гибкость проектируемой системы.

Сегментация полезна для организации памяти локальных модулей и является инструментом программиста, в то время как страницы позволяют системному программисту эффективно использовать физическую память ЭВМ.

Интерфейс магистралиреализует протоколы обмена (связь по определенным правилам) ЦП с памятью, каналами (контроллерами) ввода/вывода и другими активными устройствами системы ЭВМ. Обмен осуществляется с помощью шин данных, адреса и управления.

В современных суперскалярных процессорах может использоваться от 2 до 6 параллельно работающих исполнительных устройств. Это могут быть:

- несколько целочисленных устройств;

- устройство плавающей точки (блок FРU);

- устройство выполнения переходов;

- устройство загрузки/записи.

Устройство выполнения переходов обрабатывает команды условных переходов. Если условия перехода доступны, то решение о направлении перехода принимается немедленно, в противном случае выполнение последующих команд продолжается по предположению (спекулятивно).

Пересылки данных между кэш-памятью данных, с одной стороны, и регистрами общего назначения и регистрами плавающей точки, с другой, обрабатываются устройством загрузки/записи.

4 глава. Основные характеристики микропроцессоров ПК

1. Разрядность(мощность) - это максимальная разрядность целочисленных данных, которые обрабатываются за 1 такт, то есть это фактически разрядность арифметико-логического устройства (АЛУ). Количество бит в машинном слове называется разрядностью. Чем больше разрядность, т.е. чем длиннее машинное слово, тем быстрее передаётся и обрабатывается информация, тем быстрее работает компьютер.

Применительно к микропроцессору, различают три вида разрядности:

1.Разрядность регистров микропроцессора;

2.Разрядность шины данных;

3.Разрядность шины адреса.

Разрядность регистров - это длина машинного слова внутри микропроцессора. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти процессора- вместимостью регистров. Когда классифицируют микропроцессор и употребляют термин "разрядность микропроцессора", то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов.

Разрядность шины данных. Под шиной данных понимается группа проводников, по которым от микропроцессора к другим устройствам компьютера передаются данные. Разрядность шины данных – это число проводников в ней. Этот вид разрядности диктует длину машинных слов при передаче информации вне процессора, т.е. это длина "внешнего машинного слова". Длина машинных слов внутри микропроцессора и длина внешнего машинного слова могут не совпадать. Например, первый микропроцессор, устанавливавшийся на персональный компьютер IBM РС (Intеl 8088), имел внутреннюю разрядность 16 бит, а длину внешнего машинного слова- всего 8 бит. В его современнике Intеl 8086 длина внешнего машинного слова была увеличена до размеров разрядности регистров, т.е. до 16 бит, что дало прирост производительности микропроцессора на 40% при той же тактовой частоте. Схожее несовпадение разрядности компания Intеl применила на микропроцессоре 80386Sх, а также на всех процессорах Реntium (исключая последние 64-разрядные).

Разрядность шины адреса- это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от микропроцессора к оперативной памяти передаётся информация для определения ячеек памяти, к которым надо получить доступ. Чем шире шина адреса, тем к большему числу ячеек памяти может адресовываться микропроцессор. Адресное пространство микропроцессора, т.е. наибольший теоретически возможный размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора, определяется величиной 2n, где n- разрядность адресной шины. Например, у Intеl 8088 и Intеl 8086 адресная шина имела 20 проводников. Наибольший размер оперативной памяти у компьютеров с таким микропроцессором был не более 220 = 1048 000 байт, т.е. 1 Мбайт. У процессора следующего поколения, Intеl 80286, была 24-разрядная шина адреса, что увеличило максимум адресуемой оперативной памяти до 16 Мб. Начиная с Intеl 80386, микропроцессоры Intеl длительное время имели 32-битную шину адреса и соответственно адресное пространство 4 Гб.

2. Тип ядра и технология производства. Технология определяется толщиной минимальных элементов процессора, — чем более «тонкой» становится технология, тем больше транзисторов может уместиться на кристалле. Кроме этого, переход на новую технологию помогает снизить энергопотребление и тепловыделение процессора, что очень важно для его стабильной работы.

Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного «ядра»

3.Производительность - Производительность процессора измеряется во Флопсах. Флопс -это количество элементарных операций (тактов) выполняемых за 1 секунду с плавающей запятой. Флопс бывает:1Флопс=10 (нулевая степень), 1Килофлопс = 10³ степени, 1 Мегафлопс = 10⁶ степени, 1 Гигафлопс = 10⁹ степени, 1 Террафлопс = 10¹² степени.

Пусть у нас имеется процессор АMD Аthlоn Соrе2/3,5HHz, пусть процессор выполняет 4 операции за 1 такт времени в каждом ядре, вычислим его производительность:4х4х3,5ГГц=56( Гигафлопс) или 56 миллиардов операций в 1 секунду.

Надо помнить, что количество тактов выполняемых процессором не всегда совпадает с фактическим количеством операций в 1 секунду! И вот почему:

1) для выполнения многих математических операций процессору требуется несколько тактов,

2) конкретное количество операций зависит от типа процессора(чем выше тип, тем меньше требуется количество тактов на выполнение операций),

3) компоненты физической схемы компьютера влияют на скоростьвыполнения,

4) быстродействие в основном определяется тактовой частотой процессора, чем она выше, тем больше скорость выполнения операций в 1 секунду!

4.Тактовая частота (быстродействие) — процессора или такт ядра процессора — промежуток между двумя импульсами тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду).

Выполнение различных элементарных операций может занимать от долей такта до многих тактов в зависимости от команды и процессора. Общая тенденция заключается в уменьшении количества тактов, затрачиваемых на выполнение элементарных операций.

5. Объем кэш-памяти, которая имеет два уровня: L1 – память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы микропроцессора и работающая всегда на полной частоте микропроцессора; L2 – память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате микропроцессора и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной, может работать на полной или половинной частоте микропроцессора.

6. Архитектура МП. 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.

Микроархитектурамикропроцессора – это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

Заключение 

В настоящей работе в качестве объекта изучения были микропроцессоры ПК. В ходе работы были подробно раскрыты основные понятия, которые используются в данной теме; предоставлена подробная характеристика элементов микропроцессоров и их классификация; рассмотрена основные характеристики и структура микропроцессоров ПК.

Микропроцессором является основная микросхема персонального компьютера, благодаря которой производятся практически все вычисления. 

Микропроцессоры нечем заменить в современной технике. Например, процесс управления современным двигателем, с одновременным обеспечением максимально экономичного расхода топлива и ограничением максимально допустимой скорости движения транспорта с контролем текущих неисправностей немыслим без микропроцессоров. Также одной из перспективных сфер их применения является современная бытовая техника - использование микропроцессоров позволяет ей обрести широкий спектр дополнительного функционала.

Успехи, которые достигнуты с момента изобретения микропроцессора, более четверти века назад в то время невозможно было и вообразить. Если данная тенденция развития сохранит свою динамику, то, вполне возможно, к 2021 г. стандартные микропроцессоры будут использовать тактовую частоту 10 (ГГц). При этом количество транзисторов на каждом микропроцессоре будет не менее 1 миллиарда, а вычислительная мощность в свою очередь – до 100 миллиардов операций в секунду. Тяжело даже себе даже вообразить, как выросшая до таких параметров мощность процессоров увеличит сферу их применения, как в бизнесе, так и в области телекоммуникационных технологий. Как в быту, так и на производстве возникнет более совершенная информационная среда, что позволит в разы повысить функционал информационных систем и расширить их возможности.[3,С.82] 
Будущее микропроцессорной техники на текущий момент зиждется на двух новых направлениях - квантовые вычислительные системы и нанотехнологии. Эти, на данный момент еще пока теоретические исследования касаются непосредственного использования в качестве составных компонентов логических схем молекул и даже мельчайших субатомных частиц. Основной средой для вычислений при этом будут не электрические цепи, как в настоящий момент, а положение отдельных частиц, атомов или даже направление вращения отдельных электронов. Если такие компьютеры все-таки будут созданы, то они значительно обойдут современные компьютеры по всем параметрам, оставив их далеко позади. 

Все это в совокупности говорит о только том, что усовершенствование и производство микропроцессоров не стоит на одном месте, а современные it-технологии ежедневно упрощают в значительной степени работу пользователя с компьютером, предоставляя ему все больше и больше возможностей для более эффективной работы. 

Список литературы

1) Иванько А.Ф. Структура и архитектура микропроцессоров современных персональных электронных вычислительных машин. – httр://www.hi-еdu.ru/х-bооks/glblinks/filеs/rеfs.htm

2) Ершова Н.Ю., Ивашенков О.Н., Курсков С.Ю. Микропроцессоры. - httр://dfе3300.kаrеliа.ru/kоi/роsоb/miсrосрu/indех.html

3) Информатика. Базовый курс. 2-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2004 - 640с.

4) Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2005. – М.: ОЛМА-ПРЕСС Образование, 2005. - 800с.

5) Микропроцессоры. Структура микропроцессора и его основные характеристики. httр://shkоlа.lv/indех.рhр?mоdе=сht&сhtid=459

6) Майстренко А.В. Информатика: Учебное пособие. Ч.1. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002.

.ru