Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

В наше время спектр задач, требующих применения электронно- вычислительных машин в целях их решения, еще в большей мере расширены. Это связано с тем, что кардинальные преобразования произошли в формировании самих высоконаучных исследованиях и в изучении этой отрасли. Вследствие массового внедрения компьютерных технологий существенно повысилось направление численного моделирования и численного эксперимента. Численное моделирование, заполняющее пропасть между физическими экспериментами и аналитическими методами, позволило изучать явления, которые либо слишком сложны для исследования аналитическими методами, либо слишком дороги или опасны для экспериментального исследования. Вместе с тем численный эксперимент сделал возможным ощутимо снизить стоимость процесса научно-технического поиска. В настоящее время стало реальным моделировать процессы высокоинтенсивных физико-химических и ядерных реакций, планетарных атмосферных процессов, процессов хозяйственного и индустриального развития районов и т. д. Несомненно, что решение подобных масштабных проблем и задач требует существенных вычислительных ресурсов.

Вычислительное направление применения ЭВМ всегда оставалось основным двигателем прогресса в компьютерных технологиях. Поэтому неудивительно, что в качестве основной характеристики компьютеров используется такая величина, как производительность - значение, указывающее, сколько арифметических операций он может выполнять за единицу времени.

Именно этот показатель с максимальной наглядностью иллюстрирует размах прогресса, достигнутого в компьютерных технологиях. Например, быстродействие одного из ранних компьютеров EDSAC была всего приблизительно 100 операций в секунду, тогда как предельная производительность самого мощного суперкомпьютера Earth Simulator на сегодняшний день считается в 40 триллионов операций в секунду. Те. прирост мощности в 400 миллиардов раз! Нельзя назвать другую область человеческой деятельности, где развитие был бы в такой степени очевидным и настолько значительным.

Объектом исследования курсовой работы является ЭВМ (электронно-вычислительная машина), предметом исследования – процессор персонального компьютера

Целью данной курсовой работы является рассмотрение и исследование общего принципа работы процессора персонального компьютера.

Задачи курсовой работы:

провести классификацию современных ЭВМ
рассмотреть базовую структуру и принципы построения ЭВМ
раскрыть понятие «Электронная вычислительная машина»;
выяснить преимущества использования ЭВМ в сферах связанных c системами сбора и обработки информации;
обобщение и систематизация результатов исследования по разработке методов повышения производительности проектируемых микропроцессоров, процессорных модулей и ЭВМ;

Курсовая работа состоит из 41 листов, которая включает введение, три главы, заключение и список использованной литературы.

В первой главе приводятся классификации ЭВМ по различным признакам. Существует достаточно много систем классификации компьютеров. Рассмотрены будут лишь некоторые из них, о которых наиболее часто упоминают в доступной литературе и средствах массовой информации. В основу классификации заложена элементная база, на которой строятся ЭВМ.

Во второй главе рассматриваются основные принципы функционирования ЭВМ. Базовые структурные элементы современного компьютера, функции и характеристики, организация и работа современных ЭВМ используемых в научно-технических расчетах, обработки информации и т.д.

Третья глава посвящена устройству центрального процессора использующихся в современных ЭВМ их классификации и его основных технических характеристиках, система команд процессора.

При выполнении курсовой работы использовались научные труды следующих авторов: [1] Авдошин А.А., Песоцкая Е.В. Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа, - М.: ДМК-Пресс, 2014 г., 176 с., [2] Аникеев С. П., Маркин Н.В. Как работает современный компьютер. Самоучитель, - М.: Диалог-МИФИ, 2015 г., 160 с., [3] Арнольд В. Архитектура компьютера, - М.: Эксмо, 2013 г., 528 с., [4] Белл К., Киндал В., Талманн А. Архитектура современных ЭВМ, - М., BHV, 2016 г., 624 с.

1. Классификация современных ЭВМ

1.1. Классификация ЭВМ по принципу действия

ЭВМ бывают разных типов и форм, все вычислительные машины можно разделить на ряд групп и видов, объединяя их по общим признакам. Существует много различных типов компьютеров, используемых только в определенных специализированных контекстах, таких как суперкомпьютеры и серверы. Основные принципы работы компьютера, как правило, одинаковы.

ЭВМ классифицируются: по принципу действия; по этапам создания; по назначению; по размерам и функциональным возможностям.

По принципу действия ЭВМ делятся на три больших класса:

цифровой (ЦВМ)
аналоговые (АВМ),
гибридные (ГВМ).

Критерием для разделения компьютеров на эти три класса считается форма представления информации, с какой они работают.

Цифровые ЭВМ - компьютеры дискретного действия, работающие с информацией, представленной в дискретном, если быть точным, цифровом виде.[1, стр.57]

Аналоговая вычислительная машина (АВМ) в которых действие происходит непрерывно, которые работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т. е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

Гибридные ЭВМ (ГВМ) - вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной в цифровой и аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Для решения задач контроля сложными высокоскоростными техническими комплексами целесообразно использовать ГВМ. [13, стр.97]

1.2 Классификация ЭВМ по этапам создания

Классификация ЭВМ по этапам создания используемой элементной базе условно делятся на поколения:

1 Первое Поколение 1946-1959. Работающие на вакуумных трубках

2 Второе поколение 1959-1965. На основе транзистора.

3 Третье Поколение 1965-1971. Основанные на интегральных схемах.

4 Четвертое Поколение 1971-1980. Микропроцессорные СБИС.

5 Пятое поколение 1980-года. Микропроцессор на основе ULSI.

6 Шестое поколение - можно определить как эпоху интеллектуальных компьютеров, основанных на искусственных нейронных сетях или «искусственных мозгах». Они будут компьютерами, в которых будут использоваться сверхпроводники в качестве материалов для изготовления компонентов процессоров, что позволит не тратить электроэнергию на нагрев из-за отсутствия сопротивления, получения производительности и экономии энергии. Увеличение производительности будет примерно в 30 раз больше, чем у одного и того же частотного процессора с использованием базовых металлов. [2, стр.35]

1.3 Классификация ЭВМ по назначению

Классификация ЭВМ по назначению: Их можно разделить на три группы:

- универсальные (общего назначения),

- проблемно-ориентированные

- специализированный.

Универсальные компьютеры предназначены для решения разнообразных технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, которые усложняются алгоритмами и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных систем.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, обычно связанных с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно простым алгоритмам; они обладают ограниченными аппаратными и программными ресурсами по сравнению с универсальными компьютерами. К проблемно-ориентированным компьютерам можно отнести, в частности, всевозможные системы управления вычислительными системами. [5, стр.63]

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. Специализированные компьютеры могут включать, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными простыми техническими устройствами, агрегатами и процессами, устройства для согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем. [2, стр.77]

1.4. Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям

ЭВМ по размерам и функциональным возможностям можно в широком смысле классифицировать по скорости и вычислительной мощности.

1 Рабочая станция — это также однопользовательская компьютерная система, похожая на персональный компьютер, однако имеет более мощный микропроцессор. [3, стр.87]

2 МиниЭВМ — это многопользовательская компьютерная система, способная одновременно поддерживать сотни пользователей.

3 Мэйнфрэйм это многопользовательская компьютерная система, способная одновременно поддерживать сотни пользователей. Программная технология отличается от миникомпьютера.

4 Суперкомпьютер — это чрезвычайно быстрый компьютер, который может выполнять сотни миллионов инструкций в секунду.

2 Базовая структура и принципы построения ЭВМ

Физические компоненты, которые создают всю компьютерную систему, называются аппаратное обеспечение. Он включает в себя устройства ввода и вывода, центральный процессор и другие электронные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, интегральные схемы (ИС) и т. Д. Функции аппаратного обеспечения - принимать исходные данные в качестве входных данных, манипулировать или обрабатывать данные, хранить данные и информацию для дальнейшего использования и, наконец, отобразить требуемую информацию в качестве вывода. Два компонента являются основными в аппаратной структуре - центральный процессор (CPU) и основная память. Центральный процессор (ЦП) контролирует и контролирует работу других устройств и поток информации с этих устройств и с этих устройств и выполняет все необходимые манипуляции с данными. Основная память используется для хранения информации для немедленного доступа CPU. [4, стр.72]

Память только для чтения (ПЗУ) является типом энергонезависимой памяти и представляет собой компьютерную память, на которой данные были предварительно записаны. Устройства ввода / вывода обеспечивают интерфейс между компьютером и пользователем. Существует, по меньшей мере, одно устройство ввода (например, клавиатура, мышь, измерительное устройство, такое как датчик температуры) и, по меньшей мере, одно устройство вывода (например, принтер, экран, устройство управления, такое как привод). Устройства ввода и вывода, такие как клавиатуры и принтеры, вместе с внешними устройствами хранения, называются периферийными устройствами. [5, стр.67]

Шиной (Bus) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом.

Микросхемы, припаянные к материнской плате, предоставляют различные функции управления системой, позволяющие ЦП концентрироваться на своей основной роли, а именно на выполнении программ. Этот набор микроконтроллеров иногда называют чипсетом материнской платы, хотя более узкое определение термина относится к двум основным чипам (так называемый северный мост и южный мост), которые обеспечивают интерфейс связи между основными компонентами и остальной частью системы. Из-за большого количества соединений, требуемых на современной материнской плате, большинство соединений состоят из очень узких металлических дорожек, называемых следами. Многие сигналы, посылаемые в направлении и обратно между основными компонентами системы, такими как центральный процессор и основная память, имеют очень высокие частоты. Следовательно, расстояние между этими компонентами должно быть, как можно меньше, чтобы минимизировать проблемы с обработкой, а также проблемы, связанные с электромагнитными эффектами (шумами), генерируемыми на таких высоких частотах. Поэтому хорошая конструкция материнской платы имеет решающее значение для общей производительности компьютерной системы. [27, стр.88]

Чипсет - представляет собой набор микроконтроллерных чипов, который обеспечивает высокоскоростной коммуникационный интерфейс между основными компонентами системы и выполняет многие из низкоуровневых функций аппаратного управления, позволяя процессору тратить большую часть времени на выполнение программы инструкции. Чипсет тщательно разработан для работы с конкретным процессором или диапазоном процессоров, чтобы максимизировать производительность и в то же время снизить стоимость системы. Периферийные устройства, обычно встроенные в современную материнскую плату ПК, включают в себя интегрированные графические и звуковые карты, а также Ethernet и беспроводные сетевые адаптеры. Два главных чипа на материнской плате обеспечивают основную логику системы и стали известны как северный мост (также называемый концентратором контроллера памяти) и южный мост (иначе известный как концентратор контроллера ввода / вывода), которые принимают их соответствующие имена от их относительных позиций на материнской плате.

Северный мост (также известный как концентратор контроллера памяти) подключается непосредственно к процессору, к системной памяти через шину памяти и к южному мосту через внутреннюю шину. Он также обычно подключается к высокоскоростному слоту для видеокарты через шину с ускоренным графическим портом (AGP) или шину PCI Express (PCI-E) в зависимости от типа слота. Связь, обрабатываемая через северный мост (т. Е. Между ЦП, памятью и видеокартой), требует использования высокоскоростных шин. CPU получает быстрый доступ к памяти через контроллер памяти, встроенный в северный мост. [21, стр.87]

Те части системы, которым не требуются (относительно) высокоскоростная связь, подключены к северному мосту через южный мост (также известный как концентратор контроллера ввода / вывода). Шины, соединяющие южный мост с разъемами материнской платы и встроенными периферийными устройствами, такими как встроенный графический адаптер, обычно являются шинами PCI. Шина с низким уровнем вывода (LPC) соединяет южный мост с BIOS и с микросхемой Super I / O, которая обеспечивает интерфейс управления для устройств с низкой пропускной способностью, таких как клавиатура и мышь, а также устройства, которые подключаются через последовательный или параллельный порт. У более высокоскоростных интерфейсов, таких как IDE, SATA и USB, есть свои собственные шины. [26, стр.92]

2.1 Периферийные устройства

Компьютерная периферия - это устройство, которое подключено к компьютеру, но не является частью архитектуры основного компьютера. Основными элементами компьютера являются центральный процессор, блок питания, материнская плата и компьютерный корпус, который содержит эти три компонента. Технически говоря, все остальное считается периферийным устройством. Тем не менее, это несколько узкое представление, поскольку для функционирования компьютера требуются различные другие элементы, такие как жесткий диск и оперативное запоминающее устройство (или ОЗУ).

Каждое внутреннее устройство имеет контроллер (от английского слова controller – устройство управления). Для внешних устройств эту функцию выполняет контроллер порта, к которому это устройство подключено. Этот контроллер порта ввода-вывода автоматически перестраивается в режим работы с внешним устройством, подключаемым к этому порту. [25, стр.91]

Большинство людей используют термин «периферийное устройство» более свободно, чтобы ссылаться на устройство, внешнее по отношению к корпусу компьютера. Вы подключаете устройство к компьютеру для расширения функциональности системы. Например, рассмотрите принтер. Когда принтер подключен к компьютеру, вы можете распечатать документы. Еще один способ взглянуть на периферийные устройства - это то, что они зависят от компьютерной системы. Например, большинство принтеров не могут делать много, и они становятся функциональными только при подключении к компьютерной системе.

Типы периферийных устройств

Существует множество различных периферийных устройств, но они подразделяются на три категории:

Устройства ввода, такие как мышь и клавиатура

Устройства вывода, такие как монитор и принтер

Устройства хранения данных, такие как жесткий диск или флэш-накопитель

Некоторые устройства попадают в более чем одну категорию. Рассмотрим привод CD-ROM; вы можете использовать его для чтения данных или музыки (ввода), и вы можете использовать его для записи данных на компакт-диск (вывод). [24, стр.72]

Периферийные устройства могут быть внешними или внутренними. Например, принтер представляет собой внешнее устройство, которое вы подключаете с помощью кабеля, в то время как дисковод оптических дисков обычно находится внутри корпуса компьютера. Внутренние периферийные устройства также называются интегрированными периферийными устройствами. Когда большинство людей относятся к периферийным устройствам, они обычно означают внешние.

Таким образом, понятие о том, что именно является «периферийным», является несколько размытым. Для настольного компьютера клавиатура и монитор считаются периферийными устройствами - вы можете легко подключить и отключить их и при необходимости заменить. Для портативного компьютера эти компоненты встроены в компьютерную систему и не могут быть легко удалены.

Термин «периферийный» также не означает, что он не является существенным для функции компьютера. Некоторые устройства, такие как принтер, могут быть отключены, и компьютер будет работать нормально. Однако удалите монитор настольного компьютера, и он становится практически бесполезным. [21, стр.85]

Быстродействующие периферийные устройства, например, жесткие диски, могут работать с оперативной памятью в режиме прямого доступа. Это означает, что контроллеры этих устройств могут записывать/считывать данные из ячеек оперативной памяти, минуя обработку этих данных процессором. Подобный режим позволяет не перегружать процессор. [19, стр.82]

Некоторые периферийные устройства персонального компьютера могут иметь и собственную оперативную память, а также собственный специализированный процессор для автономной обработки данных. Это позволяет еще больше разгрузить основной процессор и основную оперативную память. К таким устройствам относится, например, видеокарта, которая осуществляет вывод информации на экран монитора. [15, стр.79]

2.2. Понятие о принципах работы ЭВМ, системная шина

В основу архитектуры современных вычислительных машин заложен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип предоставляет возможность потребителю индивидуально осуществлять необходимую конфигурацию компьютера и при необходимости произвести его модернизацию. Модульная организация ЭВМ основывается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль состоит из трех многоразрядных шин: шину данных, шину адреса и шину управления. Шины представляют собой многопроводные линии [13, стр.21]

2.2.1 Шина данных

На этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, данные, считанные из ОЗУ, могут быть переданы в процессор для обработки, а впоследствии принятые данные могут быть отосланы в противоположную сторону в ОЗУ для хранения. Таким образом, данные по шине могут пересылаться от устройства к устройству в любом направлении. Разрядность шины данных определяется мощностью процессора, т. е. число бит, которые процессор обрабатывает за такт. По мере развития компьютерных технологий размер процессоров непрерывно возрастало. [14, стр.29]

Процессор

Оперативная память

Шина адресная (8, 16, 32 64 бит) ____

Шина данных (16, 20, 24, 32 бит) ____

Шина управления_________________

МАГИСТРАЛЬ

Устройства ввода

Долговременная память

Устройства вывода

Сетевые устройства

Схема 1. Структура ЭВМ

Магистрально-модульное устройство компьютера

2.2.2 Шина адреса

Выбор устройства или места памяти, где данные передаются или откуда считываются данные, производится процессором. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет собственный адрес. Адрес направляется по адресной шине, где сигналы пересылается в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина). [9, стр.78]

Емкость адресной шины обозначает пространство адресов процессора, т.е. число ячеек памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N =2I , где I — Емкость адресной шины.

Разрядность шины адреса непрерывно возрастала и в вычислительных машинах составляла 32 бит. Следовательно, максимально возможное количество адресуемых ячеек оперативной памяти равнялась:

N == 232 = 4 294 967 296.

С 1970-х годов (1975 Cray-1) в суперкомпьютерах применяются 64-разрядные архитектуры, на обычных ЭВМ и серверах с процессорами RISC семейства в основном с 1990-х годов. В персональных компьютерах (PowerPC 64, x86-64) они массово используются С 2003 года.

64-битный регистр способен хранить один из 264 = 18 446 744 073 709 551 616 в значении. Процессор с 64-разрядной адресацией памяти может напрямую обращаться к 16 экзабайт (16 миллионов терабайт) памяти. [10, стр.29]

2.2.3 Шина управления

Шина управления является (частью) шины ЭВМ, используемой центральными процессорами для связи с другими устройствами внутри компьютера. Шина управления передает команды от ЦП и возвращает сигналы состояния от устройств. В то время как адресная шина содержит информацию о том, с каким устройством взаимодействует ЦП. Шина данных переносит фактические данные, которые обрабатываются, например, если данные считываются или записываются на устройство, соответствующая строка (чтение или запись) будет активной (логический нуль). [17, стр.65]

Другие коммуникационные шины также взаимодействуют с процессором, но являются внешними по отношению к системе, такие как универсальная последовательная шина, RS-232, сеть контроллеров (CAN), eSATA и другие. Внешние периферийные устройства могут быть настроены для использования внутренней шины, и это было характерно для компьютеров, которые использовали «карты расширения» для подключения продуктов к внутренней шине. Однако в дальнейшем были разработаны другие системы связи с шиной, такие как USB.

Системная шина может быть «расширена» для связи с другими компьютерами через шасси, называемое объединительной платой. Внутренние шины имеют очень высокую пропускную способность и низкую задержку. Несколько компьютеров могут монтироваться в стойку на одной объединительной панели для очень быстрой связи между компьютерами.

Рисунок 1 - Архитектура ЭВМ

В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены общие принципы архитектуры фон Неймана которая была впервые опубликована Джоном фон Нейманом в 1945 году. [25, стр.71]

В результате этих методов и ряда других, вычисления и программирование стали более быстрее, гибкими и эффективными, а также с инструкциями в подпрограммах, выполняющих гораздо более вычислительную работу. Часто используемые подпрограммы не требуют перепрограммирования для каждой новой проблемы, а могут храниться в “библиотеках” и при необходимости считываться в память. Таким образом, большая часть программы может быть собран с библиотекой. ОЗУ стала местом сборки, в котором хранятся части другого вычисления, обрабатываются по блокам и собираются для формирования окончательных результатов. Существует два типа ОЗУ: SRAM (Статическое ОЗУ) и DRAM (Динамическое ОЗУ). [24, стр.13]

Архитектура фон Неймана является эталонной моделью для программируемых вычислительных машин. Основной принцип заключается в том, что память, на которой работает процессор, содержит как программные инструкции, так и данные для обработки. Эта структура считалась с самого начала теоретически ограниченным. Система соединения между данными и инструкциями программы, так называемая шина данных и команд, может стать узким местом связи между процессором и памятью. Никаких проблем не было, пока обработка инструкции была медленнее, чем скорость предоставления данных для обработки. До 1990-х годов процессор был самым медленным устройством в компьютере, а скорость шины все еще была достаточной. В то время так называемое «узкое место» фон Неймана было простой теоретической проблемой. Начиная с середины 1990-х годов, ускорение тактовой частоты центрального процессора (ЦП) ускоряет скорость оперативной памяти (ОЗУ), делая фактическое выполнение быстрее, чем передача данных. [8, стр.99]

В настоящее время сочетание памяти и шины формирует «узкое место» фон Неймана, которое в основном преодолевается кешированием, что в основном означает интеграцию быстрой, но небольшой памяти непосредственно в ЦП. Вот почему скорость ЦП обычно увеличивается параллельно с длиной строк кэша. Однопоточная обработка, которая приводит к нескольким процессам, проходящим через один и тот же однопоточный канал и доступ ко всем своим данным через один интерфейс памяти, привела к тому, что современные процессоры имеют больше кэша, чем логические. Это кэширование требуется, чтобы поддерживать высокоскоростные последовательные процессоры. Другой способ ускорения вычислений без увеличения тактовой частоты - это так называемые векторные вычисления. Хотя обычная инструкция, такая как сложение или умножение, обычно влияет только на скаляры, были введены векторные регистры и векторные инструкции, которые выполняют одну и ту же операцию на нескольких скалярах или на векторах за один такт.

Независимо от того, что делается для повышения производительности, нельзя уйти от того факта, что инструкции могут выполняться только по одному и могут выполняться только последовательно. Оба этих фактора сдерживают эффективность процессора. [12, стр.67]

Даже самый быстрый процессор выполняет команды в том порядке, в котором они находятся в конкретной программе. Это означает, что неправильная или неэффективно написанная программа ухудшит производительность процессора. Во многих случаях даже хорошо написанная программа ухудшается во время ее перевода в машинные инструкции. Метод динамического выполнения позволяет процессору оценить последовательность команд программы и "выбрать" наилучшую последовательность обработки команд. Например, команда 2 может быть выполнена до окончания обработки команды 1. Результаты выполнения команд расположены в первоначальном порядке для обеспечения правильного выполнения программы. Если программа написана неправильно, такое избирательное переупорядочение команд позволяет процессору лучше использовать свои ресурсы, что повышает его производительность. [11, стр.87]

Другой метод повышения производительности процессора технология Hyper-Threading (HT). Процессоры, использующие HT, ведут себя как два независимых процессора. В этом случае они могут выполнять два потока команд параллельно, из-за большой длины конвейера.

3 Принципы построения центрального процессора ЭВМ

3.1. Базовые концепции

Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

На некоторых компьютерах есть два или несколько процессоров. Они состоят из двух или более отдельных физических процессоров, расположенных бок о бок на одной плате или на отдельных платах. Каждый процессор имеет независимый интерфейс, отдельный кеш и отдельные соединения к шине системы. Несколько процессоров идеально подходят для интенсивных параллельных задач, требующих многозадачности.

Так и в персональном компьютере, да и всей компьютерной системе центральный процессор не является единственным. Видеоплата является ярким представителем устройства имеющего свой собственный микрочип процессора GPU (Graphics Processing Unit) – графический процессор.

Такое устройство как МФУ также имеет управляющий микрочип. Отличие таких устройств в том, что они занимаются управлением определённой функции, это является одним из их отличий от центрального процессора. [10, стр.78]

Поколения микропроцессоров

1-е поколение. Это был период с 1971 по 1973 год в истории микропроцессора. В 1971 году INTEL создал первый микропроцессор 4004, который будет работать с тактовой частотой 108 кГц. В течение этого периода использовались другие микропроцессоры на рынке, в том числе Rockwell International PPS-4, INTEL-8008 и National Semiconductors IMP-16. Но все это были не совместимые с TTL процессоры.

Данный этап эволюции процессоров затронул период с сороковых по самый конец пятидесятых годов. Такие процессоры устанавливали в специальные разъёмы на отдельных модулях, которые были собраны в стойки. Огромное количество подобных стоек, соединённых проводниками, в совокупности представляли собой процессор. Отличительной чертой являлась их низкая надёжность, небольшое быстродействие, а также огромное выделение теплоты.

2-е поколение.: Это был период с 1973 по 1978 год, в котором были реализованы очень эффективные 8-битные микропроцессоры, такие как Motorola 6800 и 6801, INTEL-8085 и Zilogs-Z80, которые были одними из самых популярных. Благодаря их сверхбыстрой скорости они были дорогостоящими, поскольку они были основаны на изготовлении технологии NMOS. [7, стр.39]

Это был второй этап эволюции процессоров, который длился, начиная с середины пятидесятых годов до середины шестидесятых. Транзисторы монтировали уже на платы весьма близкие к нынешним платам по облику, которые устанавливались в стойки. Как и раньше, процессор в среднем состоял из нескольких подобных стоек. Выросло быстродействие, повысился уровень надёжности, уменьшился уровень энергопотребления.

Третье поколение: за этот период были созданы и спроектированы 16-битные процессоры с использованием технологии HMOS. С 1979 по 1980 год были разработаны INTEL 8086/80186/80286 и Motorola 68000 и 68010. Скорости этих процессоров были в четыре раза лучше, чем процессоры второго поколения.

4-е поколение: с 1981 по 1995 год это поколение разработало 32-битные микропроцессоры с использованием изготовления HCMOS. INTEL-80386 и Motorola 68020/68030 были популярными процессорами.

Со временем почти все процессоры стали выпускать в формате таких микропроцессоров. Исключением длительное время были только лишь малосерийные процессоры, которые аппаратно оптимизировались для решения различных специальных задач. К примеру, суперкомпьютеры или процессоры для осуществления решения целого ряда военных задач, или же какие-нибудь процессоры, к которым, как правило, предъявлялись некие особые требования по уровню надёжности, своему быстродействию, либо же защите от воздействия электромагнитных импульсов, а также воздействия ионизирующей радиации. С удешевлением, а также распространением самых современных технологий, данные процессоры тоже начинают делать в формате микропроцессора. [6, стр.74]

5-е поколение: с 1995 года по настоящее время это поколение выпускает высокопроизводительные и высокоскоростные процессоры, которые используют 64-разрядные процессоры.

В 1978 году Intel выпускает новый шестнадцатиразрядный микропроцессор Intel 8086, содержащий набор команд х86, который заложил основы архитектуры всех нынешних настольных процессоров. Микропроцессор Intel 80868086 работал на частоте 5 МГц и содержал 29000 транзисторов. Он мог адресовать 1 Мбайт памяти благодаря 20-разрядной адресной шине. По причине большой распространённости восьмиразрядных модулей памяти выпущен был весьма дешевый Intel 8088, являющийся упрощенной версией 8086 со всеми теми же характеристиками, но с восьмиразрядной шиной данных. Это дало возможность программной и аппаратной совместимости как с процессором 8086, так и с предыдущими 8-разрядными процессорами 8085 и 8080. [14, стр.62]

Таким образом, микропроцессор эволюционировал через все эти поколения, а микропроцессоры пятого поколения представляют собой усовершенствования в спецификациях.

3.2 Основные характеристики процессоров

Существуют разные типы процессоров, отличающиеся набором функций. Архитектура x86 впервые была реализована в собственных процессорах компанией Intel в конце 70-ых годов, а в ее основу были положены вычисления со сложным набором команд (CISC). Свое название эта архитектура получила от последних двух цифр, которыми заканчивались кодовые наименования моделей ранних изделий Intel. На сегодняшний день архитектура x86 была также реализована и в процессорах компаний AMD, VIA, SiS, Cyrix и многих других.

Основные характеристики процессоров:

1.Тактовая частота — тактом мы можем условно назвать одну операцию. Единица измерения МГц и ГГц (мегагерц и гигагерц). 1 МГц — значит, что процессор может выполнить 1 миллион операций в секунду, к примеру процессор 3,16 ГГц может выполнить 3 Миллиарда 166 миллионов операций за 1 секунду.

2.Другой основной характеристикой процессора является его разрядность. Сейчас всё больше процессоров 64 разрядные. В общем виде — разрядность означает, сколько оперативной памяти допустимо установить в свой компьютер.

3.Кэш процессора — довольно важный параметр. Чем он больше, тем больше данных хранится в особой памяти, которая ускоряет работу процессора. В кэше процессора находятся данные, которые могут понадобится в работе в самое ближайшее время.

4. Техпроцесс — это размер, используемый при производстве процессоров. Он определяет величину транзистора, единицей измерения которого является нм (нанометр). Транзисторы, в свою очередь, составляют внутреннюю основу ЦП.

5.Socket – этот параметр нужен для стандартизации всех процессоров по разъемам подключения к материнской плате.

6. Количество ядер

Первоначально процессоры имели одно ядро. Это означало, что на физическом процессоре на нем был один центральный процессор. Для повышения производительности производители добавляют дополнительные «ядра» или центральные процессоры. Двухъядерный процессор имеет два центральных процессора, поэтому он представляется операционной системе в виде двух процессоров. Например, центральный процессор с двумя ядрами может запускать два разных процесса одновременно. Это ускоряет работу вашей системы, потому что ваш компьютер может делать сразу несколько действий. [15, стр.43]

До появления процессоров с многопоточными и многоядерными процессорами, пытались увеличить вычислительную мощность на компьютерах, добавив дополнительные процессоры. Для этого требуется материнская плата с несколькими гнездами процессора. Материнской плате также требуется дополнительное оборудование для подключения этих сокетов процессора к ОЗУ и другим ресурсам. В такой конфигурации много накладных расходов. Есть дополнительная задержка, если процессоры должны взаимодействовать друг с другом, системы с несколькими процессорами потребляют больше энергии, а материнской плате требуется больше сокетов и оборудования.

Частота шины процессора скорость с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной компьютера. В компьютере тактовая частота относится к числу импульсов в секунду, генерируемых генератором, который устанавливает скорость вычислении для процессора. Тактовая частота - это один из показателей мощности компьютера. Другие факторы также влияют на общую производительность компьютера. Примеры включают количество процессоров, скорость шины, размер кэша, скорость работы ОЗУ и скорость жесткого диска или SSD. Поэтому, в то время как тактовая частота процессора является важным показателем величины быстродействия компьютера, это не единственный фактор, который имеет значение.

3.3 Устройство процессора

На любом процессорном кристалле находятся:

Процессор; сопроцессор; кэш-память первого уровня; кэш-память второго уровня;

Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 6 см2. Только под микроскопом можно разглядеть элементы, из которых состоит микропроцессор.

В состав центрального процессора входят:

устройство управления (УУ);
арифметико-логическое устройство (АЛУ);
запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;
генератор тактовой частоты (ГТЧ).

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

Рисунок 2 - Схема работы ЦП и описание взаимодействия с компонентами ЭВМ

Запоминающее устройство - это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты.

Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую быстро загружаются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

Рисунок 3 - Структура ЦП

Алгоритм работы процессора компьютера может быть представлен в виде последовательности следующих действий.

- Блок управления процессора берет из основной памяти, в которую загружается программа, определенные значения (данные) и команды для выполнения (инструкции). Эти данные загружаются в кэш-память процессора.

- Из буферной памяти процессора (кэша) инструкции и полученные данные записываются в регистры. Инструкции помещаются в регистры инструкций, а значения-в регистры данных.

- Арифметическое логическое устройство считывает инструкции и данные из соответствующих регистров процессора и выполняет эти команды по полученным номерам.

- Результаты записываются обратно в регистры и если расчеты завершены в буфер памяти процессора. Процессор имеет очень мало регистров, поэтому он вынужден хранить промежуточные результаты в кэш-памяти различного уровня.

- Новые данные и команды, необходимые для вычислений, загружаются в кэш верхнего уровня (от третьего к второму, от второго к первому), а неиспользуемые данные являются обратными в кэше нижнего уровня.

- Если цикл вычислений завершен, результат записывается в оперативную память компьютера, чтобы освободить место в буферной памяти процессора для новых вычислений. То же самое происходит, когда данные кэша полный: неиспользуемые данные перемещаются на более низком уровне кэш-памяти или в ОЗУ.

3.4. Основные особенности архитектуры

X86 — это CISC-архитектура. Доступ к памяти происходит по «словам». «Слова» размещаются по принципу little-endian, известному также как Intel-формат. Современные процессоры включают в себя декодеры команд x86 для преобразования их в упрощённый внутренний формат с последующим их выполнением.

Режим работы процессора — состояние процессора, определяющие его поведение при выполнении различных команд и возможность доступа к различным данным.

Реальный режим:

Первоначальный IBM PC мог адресовать только 1 МБ системной памяти, а оригинальные версии DOS, созданные для работы с ним, были разработаны с учетом этого. DOS по своей природе является однозадачной операционной системой, то есть она может обрабатывать только одну программу за один раз. Решения, принятые в эти ранние дни, продолжались до сих пор, и в каждом новом процессоре необходимо было уделить внимание тому, чтобы процессор мог работать в режиме, совместимом с исходным чипом Intel 8088. Это называется реальным режимом.

Когда процессор работает в реальном режиме, он действует как «разогнанный 8088». Это означает, что у него есть преимущество в скорости, но в противном случае он обращается к памяти с теми же ограничениями исходного 8088: предел 1 МБ адресной ОЗУ и медленный доступ к памяти, который не использует преимущества 32- разрядной обработки современных процессоров. Все процессоры имеют этот реальный режим, и на самом деле компьютер обычно запускается в реальном режиме.

Реальный режим, конечно, используется DOS и «стандартными» приложениями DOS. На самом деле, сегодня существует довольно мало простых программ DOS, которые просто используют стандартный 640K, который предоставляет DOS. Даже в DOS теперь доступны специальные программы, которые будут «расширять» DOS, чтобы обеспечить доступ к расширенной памяти (более 1 МБ) и более быстрый 32-разрядный доступ. Они иногда называются расширителями DOS. Протокол, описывающий, как заставить DOS работать в защищенном режиме, называется DPMI (интерфейс режима защищенного режима DOS). Расширители DOS используются большинством игр DOS (поскольку в последние годы стандартное ограничение DOS 640 КБ перешло из негибкого в совершенно ничтожным, поскольку игры стали очень большими).

Примечание. Первые 64 КБ расширенной памяти фактически доступны для ПК в реальном режиме, несмотря на то, что это не должно быть возможным. Это результат ошибки в исходном IBM AT. Эта область памяти называется областью высокой памяти (HMA).

Защищенный режим:

Начиная с чипа 80286 в IBM AT, появился новый режим процессора, называемый защищенным режимом. Это гораздо более мощный режим работы, чем реальный, и используется во всех современных многозадачных операционных системах. Преимущества защищенного режима (по сравнению с реальным режимом):

Полный доступ ко всей памяти системы. В защищенном режиме нет предела 1 МБ.

Возможность многозадачности, что означает, что операционная система управляет выполнением нескольких программ одновременно.

Поддержка виртуальной памяти, которая позволяет системе использовать жесткий диск для эмуляции дополнительной системной памяти, когда это необходимо.

Более быстрый (32-разрядный) доступ к памяти и более быстрые 32-разрядные драйверы для обработки ввода / Вывода. Каждая запущенная программа имеет свои собственные выделенные ячейки памяти, которые защищены от конфликтов с другими программами. Использование защищенного режима не стало популярным до появления доминирующего положения операционной системы Microsoft Windows. Защищенный режим теперь является способом, которым большинство людей используют свои ПК. Все основные операционные системы сегодня используют защищенный режим Windows и Linux. Даже DOS, который обычно работает в реальном режиме, может получить доступ к защищенному режиму с использованием DPMI (интерфейс режима защищенного режима DOS), который часто используется играми DOS для преодоления условного барьера памяти DOS 640 КБ.

Все процессоры с 286 on могут использовать защищенный режим. 386 и более поздние процессоры могут переключаться на лету от реального до защищенного режима и наоборот; 286 может переключаться только с реального на защищенный режим (переключение требует перезагрузки). Защищенный режим также иногда называется 386 Enhanced Mode, так как он стал основным с этим семейством процессоров.

Рисунок 4 - Регистры процессоров Intel X86

Регистр процессора — сверхбыстрая оперативная память внутри процессора, служащую для временного хранения двоичных чисел. В процессоре имеется значительное количество регистров, большая часть которых используется самим процессором и недоступна программисту (например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, и программист обратиться к этому регистру не может). Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы (например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов). Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем. (Рисунок 4)

3.5 Система команд процессора

Работа всех процессоров заключается в выполнении инструкций, которые являются командами, которые составляют машинный язык, который понимает процессор. Большинство программ написаны на языках более высокого уровня, но они должны быть переведены на машинный язык процессора, чтобы компьютер мог их запускать (исполнять). Это называется компиляцией программы на машинный язык.

В совокупности все различные инструкции, которые может выполнять процессор, называются его набором команд. Набор инструкций определяет, какое программное обеспечение может работать на процессоре; для обеспечения совместимости двух процессоров они должны (между прочим) выполнять одни и те же инструкции. Количество и тип инструкций, поддерживаемых процессором, диктуют требования для всего программного обеспечения, которое его использует, а также оказывает значительное влияние на производительность.

Основная задача разработчиков процессоров - повысить производительность. Производительность определяется как объем работы, которую процессор может делать за определенный период времени. Различные инструкции выполняют разные объемы работы.

Чтобы повысить производительность, вы можете либо заставить процессор выполнять инструкции за меньшее время, либо сделать каждую выполняемую им команду, сделайте больше работы. Увеличение производительности за счет выполнения инструкций за меньшее время означает увеличение тактовой частоты процессора. Усиление работы с каждой инструкцией означает увеличение мощности и сложности каждой команды. В идеале вы хотели бы сделать оба, конечно, но это компромисс с конфигурацией; сложно сделать более сложные инструкции быстрее.

Этот компромисс в философии построении базовых инструкций отражен в двух основных характеристиках, даваемых наборам инструкций. CISC представляет собой сложный компьютер с набором команд и является именем, данным процессорам, которые используют большое количество сложных инструкций, чтобы попытаться сделать больше работы с каждым из них. RISC означает сокращенный компьютер набора инструкций и является общим именем для процессоров, которые используют небольшое количество простых инструкций, чтобы попытаться сделать меньше работы с каждой инструкцией, но выполнить их намного быстрее.

Вопрос о том, какой из этих двух подходов использовать при проектировании процессора стал одним из главнейших аргументов компьютерного мира. Это особенно верно, поскольку, когда платформа принимает решение о наборе команд, она имеет тенденцию придерживаться ее, чтобы обеспечить совместимость с существующим программным обеспечением. Несколько по иронии судьбы, линия между RISC и CISC стала размытой в последние годы, при этом каждый движется к середине поля в попытке улучшить производительность. Кроме того, появились новые способы скрещивания концепций RISC и CISC с использованием модернизированных процессоров. Наборы инструкций оптимизируются с технологиями MMX, предлагаемыми для повышения производительности процессоров Intel.

MMX означает MultiMedia eXtenstions и относится к расширенному набору команд. Другие примеры включают MMX +, 3DNow !, 3DNow! +, SSE, SSE2, SSSE3, SSE4.1, SSE4A, AVX, AVX2 и XOP.

x86 Эмуляция и трансляция

Желание повысить производительность при сохранении совместимости с существующим программным обеспечением привело к тому, что инженеры-программисты разработали несколько очень креативных проектов. Возможно, самым инновационным дизайном стала полная доработка внутреннего ядра процессора, который был сделан на более современных процессорах Intel и AMD.

Внутреннее ядро RISC больше подходит для реализации многих более совершенных архитектурных возможностей, улучшающих производительность, а также для более простой работы на гораздо более высоких тактовых частотах. Более быстрые тактовые частоты означают меньшее время для выполнения каждой команды, и поэтому имеет смысл отбивать большие, сложные инструкции CISC x86 на более «удобоваримые» части, чтобы повысить производительность, так как тактовые частоты превышают 1 ГГц. С точки зрения пользователя, этот дополнительный уровень трансляции полностью невидим, поскольку он происходит полностью внутри самого процессора.

Команды. Фирма Intel подразделяет 135 команд на семь групп: команды передач данных, арифметические команды, логические команды, команды передачи управления, цепочечные команды, команды прерываний и команды управления процессором.

Заключение

В данной работе раскрывается схема ЭВМ, даются общие понятия и определения. Структура вычислительной машины – это модель, которая устанавливает состав, порядки и принципы взаимодействий входящих компонентов. Центральная часть компьютера — это системный блок, присоединена к нему клавиатура, монитор и мышь. Описана основная компоновка ЭВМ: микропроцессор, ПЗУ, ОЗУ, генератор тактовой частоты, контроллер (в том числе контроллер прерывания), шина, устройства ввода и вывода данных и другие. Рассмотрены принципы взаимодействия базовых устройств. А также описаны состав центрального процессора и его базовые характеристики, такие как быстродействия, тактовая частота и разрядность.

Базовые функции определяют назначения ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами.

На производстве в последнее время считается актуальным массовое внедрение ЭВМ для систем автоматизации промышленных объектов, для обеспечения высоких эксплуатационных и экономических показателей, отличается сложными преобразованиями сигналов. С этой наитруднейшей задачей успешно отказоустойчивые ЭВМ, адаптированные к неблагоприятным условиям различных отраслей промышленности, с использование новых технологии современных процессоров, позволяющие свести некоторые расчёты к минимуму, а иногда и ускорить их. Поэтому исследование профессиональных функций табличных процессов считается актуальным и востребованным.

В ходе написания курсового проекта нами были подробно рассмотрены профессиональные задачи, с которыми успешно справляются современные ЭВМ. К наиважнейшим из них относят, начиная сравнительно простыми системами такими как - обеспечение пожаробезопасности, охрана объекта, контроль загазованности, системы наблюдения и контроля над объектами, и более сложными как автоматизация производства различной техники и машин. В промышленности также применяется такие Интеллектуальные автоматизированные системы управления как SCADA - автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).

Рассматривая перспективы развития центральных процессоров полагается, что, по всей видимости, архитектура центральных процессоров останется фон-неймановской. Увеличение производительности будет обеспечиваться за счёт лучшей параллелизации инструкций и перехода на асинхронную схемотехнику. Для обеспечения наилучшей параллелизуемости потребуется переход на более совершенные наборы инструкций — в частности, пригодные для одноразового использования регистров.

При написании курсовой работы по теме исследования нами была изучена специальная литература, включающая научные статьи по информационным технологиям, учебники по информатике, рассмотрено основные принципы построения центрального процессора ЭВМ, структура и система команд.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Авдошин А.А., Песоцкая Е.В. Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа - М.: ДМК-Пресс, 2014 г., 176 с.
Аникеев С. П., Маркин Н.В. Как работает современный компьютер. Самоучитель, - М.: Диалог-МИФИ, 2015 г., 160 с.
Арнольд В. Архитектура компьютера, - М.: Эксмо, 2013 г., 528 с.
Белл К., Киндал В., Талманн А. Архитектура современных ЭВМ, - М., BHV, 2016 г., 624 с.
Васвани В.А. Руководство пользователя ПЭВМ, СПб, Питер, 2015 г., 368 с.
Васильев А.В. Архитектура и программирование, - М., Наука и Техника, 2016 г., 480 с.
Герберт Шилдт: Введение в архитектуру, - М., Эком, 2014 г., 640 с.
ГолощаповА. Р.: Организация ЭВМ и систем, - М., BHV, 2016 г., 544 с.
Госсе, Келлер, Вудворт: Основы компьютерных вычислений, - М., Эком, 2014 г, 896 с.
Гурвиц Г.Е.: Процессор Pentium: Архитектура и программирование, - М., BHV, 2014 г., 424 с.
Дейтел, Дейтел: Аппаратное обеспечение IBM PC, - М., Питер, 2014 г., 864 с.
Джо Майо: Архитектура ЭВМ, - М., BHV, 2013 г., 464 с.
Исаев Г.А.: Информационные системы в экономике. Учебник, - М., Омега-Л, 2013 г., 462 с.
Исаев Г.А.: Проектирование информационных систем. Учебное пособие, - М., Омега-Л, 2015 г., 424 с.
ИэнГриффитс: Программирование на C# 5.0, - М., Эксмо, 2014 г., 1135 с.
Курлов А.А, Петров Е.А.: Методология информационной аналитики, - М.,Проспект, 2014 г., 384 с.
Мартынов Н.А: Программирование для Windows на С\С++. В 2-х томах, - М., Бином, 2013 г., 480 с.
Ошероув Р.О: Искусство автономного тестирования с примерами на С#, - М., ДМК-Пресс, 2014 г., 360 с.
Паттерсон, Хеннесси: Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем М. Классика ComputersScience, Спб Питер, , 2012 г., 784 с.
Пирогов В.А.: Информационные системы и базы данных: организация и проектирование, - М., BHV, 2013 г., 528 с.
Полубенцева - М. П.: С/С++ Процедурное программирование, - М., BHV, 2014 г., 432 с.
Пугачев Е.К., Шериев Ш.К., Кичинский Е.А.: Разработка приложений для Windows 8 на языке C#, - М., BHV, 2013 г., 416 с.
Роберт Дж. Мюллер, Проектирование баз данных и UML, - М., Лори, 2013 год, 432 с.
Роберт Лафоре: Объектно-ориентированное программирование в С++, - М., Питер, 2013 г., 928 с.
Скотт Мейерс: Наиболее эффективное использование С++. 35 новых рекомендаций по улучшению ваших программ, - М., ДМК-Пресс, 2014 г., 294 с.
Скотт Мэйерс: Эффективное использование С++. 55 верных способов улучшить структуру и код ваших программ, - М., ДМК-Пресс, 2014 г., 300 с.
Стефан Дьюхэрст: Скользкие места С++. Как избежать проблем при проектировании и компиляции ваших программ, - М., ДМК-Пресс, 2014 г., 264 с.