Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Процессор персонального компьютера Назначение, функции, классификация процессора.

Содержание:

Введение

Часто можно услышать, что центральный процессор это мозг или сердце компьютера, который, как принято считать, занимается арифметикой и дает команды внешним устройствам компьютера. Процессор можно сравнить с небольшой бюрократической конторой, где есть начальник и множество исполнителей: секретарей, курьеров и прочего народа. Как начальник процессор дает распоряжение всем узлам компьютера. Распоряжения же выполняют другие специализированные процессоры, которыми снабжены все современные внешние устройства. но несмотря на это процессор сам выполняет ряд функций. Именно процессор управляет всеми делами на компьютере, четко выполняя распоряжения работающих в данный момент программ.

Процессор – это один из основных компонентов компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой.

Процессор представляет собой интегральную микросхему (пластину кристаллического кремния прямоугольной формы), на которой размещены электронные блоки, реализующие его функции. Кристалл-пластинка помещается в плоский керамический корпус и соединяется золотыми (медными) проводниками с металлическими штырями (выводами, с помощью которых процессор входит в процессорное гнездо на материнской плате компьютера) или металлическими площадками.

Главной темой этой курсовой работы являться процессор. Чтобы узнать, что же такое процессор нужно понять подробно изучить его функции, назначения и классификацию.

Глава I История процессора

История развития технологии производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства элементной базы.

Первый этап в истории развития был период с сороковых по конец пятидесятых годов, были созданы процессоры с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальный разъём на модулях, собранные в стойки. Стойки соединенные проводниками, в сумме и составляли процессор. Особенностью этих процессоров была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Следующий второй этап, был с середины пятидесятых до середины шестидесятых, на этом этапе были внедрены транзисторы. Транзисторы монтировались на похожие современному по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и на первом этапе, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Плюсами были рост быстродействия, надёжности, уменьшения энергопотребления.

Следующим третьим этапом, наступившим в середине шестидесятых годов, стало использование микросхем. Сначала использовались микросхемы с низкой степенью интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, но по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры). Позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

На четвёртом этапе был создан микропроцессор, при котором на одной микросхеме физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. В это время Компания Busicom начала разработку своего нового настольного калькулятора, для этого ей потребовались микросхемы, которые они заказали у Фирмы Intel. именно тогда у фирмы появилась соединит несколько микросхем в одну. Из-за того, что не нужно было производить сразу несколько микросхем была возможность сэкономить. Данная идея пришлась по душе руководителю фирмы. И в 1971 году был создан первый в мире 4-х разрядный микропроцессор Intel 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Единственным исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач ,это суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач, либо процессоры, к которым предъявлялись какие-нибудь особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Вместе с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начали изготавливать в формате микропроцессора.

История же новых персональных компьютеров началась в 1981г., именно в это время IBM выпустила микро - электронную вычислительную систему IBM PC. Название ей дали «Персональный компьютер IBM». В этом компьютере не было ничего особенного: механическая конструкция не представляла ничего особенного, внутренняя структура или по другому архитектура была не очень удобна в использовании, процессор не самый удачный, но несмотря на это данная микро- электронная вычислительная система завоевала 80% компьютерного рынка за короткий срок. А ведь много фирм производило и разрабатывало микро и мини электронные системы, образцы некоторых из них даже по теперешним понятиям представляли собой, более совершенные системы.

И сама корпорация IBM, видимо, учитывая непритязательность своего детища, запатентовала только BIOS (Basic Input Output System, базовую систему ввода/вывода), даже не догадываясь о том какое будущее ждет их детище, которое терялось на фоне основной продукции – больших ЭВМ (одних из лучших в то время). Тем более, что разработчики IBM позаимствовали многие технические решения у других фирм, например, идея так называемой открытой архитектуры была взята у фирмы Apple.

Первый IBM PC был оснащен 8‑битным процессором Intel 8086. «8‑битный процессор» это означает, что процессор за один такт мог обработать всего 8 бит (1 байт). В 1984 году появился 16‑битный (еще говорят – 16‑разрядный) процессор Intel 80286. Компьютеры, оснащенные таким процессором, назывались «двоечками».

Процессоры появившиеся до 1985 года которыми оснащались персональные компьютеры, были 32‑битными. В 1985 году появился первый 32‑битный процессор Intel 80386. Разрядность осталось прежней. Изменилось лишь технология и алгоритмы обработки информации, а так же тактовая чистота. Помимо разрядности, производительность процессора характеризует тактовая частота. Тактовая частота - это число основных операций компьютера, производимых в секунду. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор. Но так было раньше. Сейчас же многое решает технология, например двуядерный процессор, работающий на частоте чуть более 2 ГГц, будет быстрее одноядерного процессора, который работает на частоте 2,5 ГГц. Частота процессоров 80286 не превышала 12 МГц, а частота процессоров 80386 была не более 32 МГц.

Персональные компьютеры сегодня имеют процессоры семейства х86 и их аналогов. Но у такой мировой унификации персональных компьютеров есть и негативные черты – современным процессорам приходится подстраиваться под предшественника – Intel 8086. В Pentium быстрое внутреннее RISC-ядро вынуждено эмулировать работу старых процессоров со всеми их слабыми местами. Плюс наследство от IBM PC – низкоскоростной обмен с периферийными устройствами и оперативной памятью.

Сегодня хорошо видно, что требуется переход от старых технологий к новым, но мировая индустрия персональных компьютеров обладает огромной инерцией. Вот один из примеров – время начальной загрузки компьютера, несмотря на 100-кратное возрастание частоты процессоров, так и не уменьшилось, а даже стало еще дольше из-за более громоздкого программного обеспечения. Конечно, не все так плохо – ведущие производители уже давно работают над новыми стандартами для будущих поколений персональных компьютеров. Правда, прийти к общему мнению им пока не удается, но ряд тенденций уже наметился.

1.1 Процессор

Сердцем или мозгом любого персонального компьютера является процессор (часто используется термин – «микропроцессор»), который, как принято считать, занимается арифметикой и дает команды внешним устройствам. Самые первые процессоры другого и не умели, их возможности были очень скромными. Современный процессор можно сравнить с небольшой бюрократической конторой, где есть начальник и множество исполнителей: секретарей, курьеров, и прочего народа.

Как начальник в конторе, процессор выдает приказы-распоряжения всем узлам компьютера, например, прочитать компакт-диск, сохранить в памяти данные, выключить питание. Распоряжения же выполняют другие специализированные процессоры, которыми снабжены все современные внешние устройства.

Но, несмотря на это, процессор сам выполняет ряд арифметических функций. К примеру если дать процессору команду сложить два плюс два, он будет делать это сам. Правда, внутри процессора за такую операцию будет отвечать блок арифметических операций. А за умножение или деление чисел с запятыми отвечает блок сопроцессора, который только и умеет, что очень быстро обсчитывать большие числа.

Именно центральный процессор управляет всеми делами на компьютере, четко выполняя распоряжения работающих в данный момент программ.

Процессор (рис. 1) представляет собой интегральную микросхему (пластину кристаллического кремния прямоугольной формы),которая умещается на ладони, на которой размещены электронные блоки, реализующие его функции. Кристалл-пластинка помещается в плоский керамический корпус и соединяется золотыми (медными) проводниками с металлическими штырями (выводами, с помощью которых процессор входит в процессорное гнездо на материнской плате компьютера) или металлическими площадками (сами выводы уже содержатся в процессорном слоте).

Рисунок 1 Процессор: лицевая (слева) и оборотная (справа) стороны

Чтобы избежать перегрева процессора, на него устанавливается кулер.

Процессор имеет множество характеристик, с помощью которых можно сравнивать различные модели процессоров от разных производителей. Наличие нескольких производителей влияет на многообразие характеристик процессора, поскольку вступают в силу патенты на технологии, которые не могут повторяться производителями.

Сейчас на рынке можно найти самые разные процессоры с разной частотой, начиная с младших моделей и заканчивая моделями высшей категории, содержащими несколько ядер.

Все процессоры бывают трех видов – для персональных компьютеров, для серверов и для переносных устройств (ноутбуков, КПК, PDA). Процессоры для переносных устройств характеризуются уменьшенным потреблением энергии, что важно для данного типа устройств.

В персональном компьютере присутствует центральный процессор, который выполняет все основные операции, связанные с обработкой информации, помимо этого персональный компьютер может быть оснащен сопроцессором, ориентированным на эффективное выполнение специфических функций, таких как:

Математический сопроцессор для обработки информационных данных в формате с плавающей точкой;
Графический сопроцессор для графических изображений;
Процессор ввода-вывода для выполнения операций взаимодействия с периферийными устройствами.

Процессор имеет ряд устройств, среди которых выделяют: УУ– устройство управления, АЛУ– арифметически-логическое устройство.

Быстродействие процессора зависит от многих факторов, основными из которых являются тип и размер кэш - памяти, шины обмена информацией, частота работы ядра, наличие расширений стандартных инструкций, пропускная способность контроллера памяти, аппаратные технологии ядра.

Глава II Функции процессора

Основные функции любого процессора следующие:

формирование адреса команд или данных, хранящихся в оперативной памяти;
выборка команд из памяти и их дешифрация;
прием данных из оперативной памяти, выполнение над ними арифметических, логических и других операций, определяемых кодом команды, и передача обработанных данных во внешние устройства или память;
формирование сигналов состояния, управления и времени, необходимых для нормальной работы внутренних узлов, а также внешних устройств и памяти;
временное хранение результатов выполненных операций, адресов, формируемых сигналов состояния и других данных;
прием сигналов запроса от внешних устройств и их обслуживание.

Микропроцессор - это сверхбольшая интегральная схема, которая реализует функции процессора профессионального компьютера. Микропроцессор создается на полупроводниковом кристалле (или нескольких кристаллах) путем применения сложной микроэлектронной технологии. Возможности каждого компьютера как универсального исполнителя по работе с информацией определяются системой команд процессора. Система команд процессора является языком машинных команд. Из этого языка составляют программы управления работой компьютера. Отдельная команда определяет отдельную операцию (действие) который будет выполнять компьютер. В языке машинных команд существуют команды, по которым выполняются арифметические и логические операции, операции управления последовательностью выполнения команд, операции передачи данных из одних устройств памяти в другие и пр.

Микросхема процессора имеет выводы трех шин: шины адреса, шины данных и шины управления. CLK-подключение внешнего тактового сигнала и тактового резонатора (быстродействие CPU). RESET-сигнал начального сброса. Для подключения CPU к магистрали используют буферные микросхемы, обеспечивающие, если необходимо, демультиплексирование сигналов и электрическое буферирование сигналов магистрали. Буферные микросхемы согласуют протоколы шин процессора и магистрали если они не совпадают.

Важнейшей характеристикой процессора является разрядность. Разрядность ШД-скорость работы системы. Разрядность ША-допустимая сложность системы. Количество линий управления определяются разнообразием режимов обмена и эффективности обмена процессора с другими устройствами системы.

2.1. Разрядность

Самыми первыми серийными чипами стали 4-х разрядные Intel 4004, предназначенные исключительно для калькуляторов. С помощью комбинации из 4-х нулей или единиц можно было закодировать 2^4=16 символов, этого хватало для 10 цифр и 6-и знаков основных арифметических действий.

В 1978 году появился первый 16-и битный процессор 8086, работающей на архитектуре x86. Эта архитектура оказалась весьма успешной, поскольку обладала огромными возможностями для постоянного совершенствования и доработки. Ее третье поколение дало возможность создать в 1985 году 32 -битный процессор Intel 80386, работающий уже на архитектуре IA-32.

Сама система x86 с начала своего существования регулярно получала всевозможные расширения, которые добавляли все новые возможности. А потребность в этом была постоянная: объемы обрабатываемых данных и размеры используемых файлов постоянно росли, и в решении сложных задач 32-разрядные процессоры уже были бессильны (блок объемом свыше 4 Гб в регистр ЦПУ уже не помещался).

Разрядность процессора определяет количество информации, которое он может обработать за один такт , влияет на объем адресуемых данных, на объем используемой оперативной памяти, а так же может повышать и скорость выполнения целочисленных операций. Разрядность процессора тесно связана с разрядностью модулей оперативной памяти. Чем выше разрядность процессора тем больше информации он сможет обработать. Но скорость процессора при этом может и не повышается. Процессор к примеру с 64-разрядностью будет работать так же и с другой разрядностью при операции с плавающей точкой. Это означает, что разрядность процессора не значит, что он работает именно с ней. Раньше процессоры 64-битные использовались исключительно в серверных решениях, то сейчас часто используются в обычных компьютерах так же как 32-разрядные процессоры.

2.2 Частота ядра

Частота ядра не характеризует быстродействие процессора. Это показатель, влияющий на скорость выполнения команд процессором. В зависимости от конструкции ядра и его наполнения различными аппаратными блоками, ядро за один такт способно выполнять разное количество команд. Поэтому разные процессоры с разной частотой ядра могут иметь одинаковую производительность.

На практике вычислить скорость работы процессора сложно из-за того, что на этот показатель влияет пропускная способность шин кэш-памяти и оперативной памяти, количество выполняемых за такт операций сложность операции. Единицей одного такта считается 1 Гц. Это значит, что при частоте 1ГГц ядро процессора выполняет 1 млрд тактов.

Недавно на рынке процессоров появились модели, содержащие несколько ядер. В отличие от виртуальных ядер, которые предлагает технология Hyper Threading, на процессорной пластине располагается несколько физических ядер. На сегодня получают распространение процессоры, у которых имеется четыре независимых ядра.

Первые двухъядерные процессоры имели два независимых ядра, то есть ядра с одинаковым строением, включая кэш-память первого и второго уровня. Сегодня ядра имеют общую кэш-память второго уровня, что позволяет увеличить производительность процессора.

Использование многоядерного процессора дает заметное повышение производительности компьютера. Такой процессор практически невозможно загрузить работой на 100 % из-за некоторых технологических аспектов. Это означает, что ситуация, когда приложение настолько заняло процессор, что компьютер не реагирует ни на какие действия и его приходится перезагружать с помощью кнопки Reset, не возникнет.

Ядра отличаются по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления. Производители с каждым последующим техпроцессом присваивают им новые имена. С развитием технологий производства процессоров появилась возможность размещать в одном корпусе более одного ядра, что значительно увеличивает производительность CPU и помогает выполнять несколько задач одновременно, а также использовать несколько ядер в работе программ. Многоядерные процессоры смогут быстрее справиться с архивацией, декодированием видео, работой современных видеоигр. На данный момент массово доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами. Их большее количество используется в серверных решениях и не требуется рядовому пользователю персонального компьютера.

Производительность процессора не всегда увеличивается: использование нескольких ядер подразумевает соответствующие приложения. На сегодня достаточно мало приложений, написанных с учетом многоядерности. Это означает, что обычно загружается только одно ядро. Однако многоядерность обязательно будет востребована.

2.3 Шины

Этот термин следует понимать как некоторый канал с определенными характеристиками, через который процессор обменивается данными с остальными компонентами.

Примером может быть канал, по которому идет обмен данными с кэш-памятью, контроллером памяти, видеокартой, жестким диском.

Главными характеристиками шины являются ее разрядность и частота работы: чем они выше, тем больше данных проходит через нее за единицу времени, а значит, больше будет обработано процессором или другим компонентом. У процессоров AMD имеются несколько таких шин, это внутренние и внешние, они имеют разную разрядность работают на разных частотах. Из-за технологической особенности, не все компоненты способны функционировать с частотой самой быстрой шины.

Частота процессора, далеко не показатель скорости работы процессора, она на прямую зависит от пропускной способности шины. Например, если предположить, что за один такт ядра передается 64 Бит или 8 Байт информации (64-битный процессор) и частота шины составляет 100 МГц, пропускная способность шины составит 8 Байт х 100 000 000 тактов, что равно приблизительно 763 Мбайт. В то же время частота ядра процессора может быть в несколько раз выше, что означает, что при достижении этого показателя оставшийся запас скорости процессора не используется. С другой стороны, существуют шины, например между процессором и кэш-памятью первого уровня, которые позволяют наиболее производительно обмениваться данными, что достигается за счет их работы на одной частоте.

Выделяют 3 вида шин:

Шина данных (64 разрядная) - происходит копирование данных из оперативной памяти, в регистре процессора и наоборот.
Адресная шина (32-разрядная ) – данные, которые передаются, трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. С помощью этой шины процессор считывает адреса команд, которые надо выполнить, а также данные, которыми оперируют команды.
Шина команд(управления)( 32-разрядная )– поставляет команды, которые выполняет процессором. Простые команды укладываются в один байт, более сложные в 2,3 байта.

Шины на материнской плате используют не только для связи с процессором, все остальные устройства электронно-вычислительной системы тоже подключаются с помощью шин.

ISA– позволяет связать между собой все устройства в системном блоке, а так же обеспечить подключение новых устройств через стандартные слоты. Пропускная способность составляет 5,5 Мб в секунду. Сейчас используют только для подключения внешних устройств, которые не требуют большой пропускной способности (звук, модемы).
EISA- 32-битная шина средней производительности, применяемая в основном для подключения контроллеров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах. В настоящее время вытеснена шиной PCI. Раньше применялась в серверных платформах, где необходимо устанавливать множество дополнительных плат расширения. В слот EISA можно устанавливать карты ISA(но не наоборот). Пропускная способность до 32-Мб-в секунду.
VLB– локальная шина, которая представляет собой соединение процессора с оперативной памятью в обход основной магистральной шины. Эта шина работает на более высокой частоте и позволяет увеличить скорость передачи данных. Так же она имеет интерфейс для подключения видео адаптера необходимого для подключения монитора в состав вычислительного комплекса. Пропускная способность до 130 Мб в секунду. Рабочая тактовая частота – 50 МГц. зависит от типа устройств подключаемых к этой шине.
PCI– стандарт подключения внешних устройств который введен для Pentium. По своей сути это интерфейс - локальные шины с разъемами для подключения внешних компонентов вычислительных систем. Тактовая частота - до 166 МГц и обеспечивает передачу информации со скоростью 264 Мб в секунду независимо от количества подключенных устройств. С введением этого стандарта появилась возможность для подключения технологии “Plug&Play”: после физического подключения устройства обеспечивается автоматическая конфигурация в составе вычислительной системы.
FSB– шина, которая используется для связи процессора с оперативной памятью компьютера, эта шина работает на частоте 133-МГц и выше. Пропускная способность до 800 Мб/сек. Частота работы шины FSB является основным параметром, который указывается в спецификации материнской платы.
AGP– специальный шинный интерфейс, который предназначен для подключения видео адаптера. Этот интерфейс необходим в современных вычислительных устройствах, потому что параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптера по быстродействию. Пропускная способность 1066 Мб/сек. В отличие от шины PCI для порта AGP возникают проблемы совместимости карт акселераторов с типом системной платы (чипсета) и процессора даже при формальном соответствии их параметров.
USB– стандарт универсальной последовательной шины, который определяет способ взаимодействия компьютера с современным периферийном оборудованием. Этот порт разрешает подключать 256 различных устройств с последовательным интерфейсом, причем устройства могут подключаться последовательно (цепочкой). Преимущество этого стандарта в том, что периферийное устройство можно подключать. Во время текущего сеанса работы без перезагрузки. Этот порт позволяет соединять компьютеры в сеть без использования специальной аппаратуры и программного обеспечения.

Конфигурирование шин расширения предполагает в основном настройку их временных параметров:

Для шины PCI задается частота синхронизации, кроме того, с CMOSSetup для нее могут определяться некоторые возможные режимы – конкурентные обращения, слежение за палитрами.
Для порта AGP задается частота, поддерживаемые режимы, а также апертуры AGP.
Для шин ISA и PCI иногда настройками CMOSSetup приходится распределять системные ресурсы ( главным образом, линии запросов прерываний).
Для шины ISA кроме частоты (которая должна быть порядка 8 МГц) задают время восстановления для 8- и 16-битных обращений к памяти и вводу-выводу. Раньше неустойчивая работа адаптеров могла потребовать замедления шины ISA, но сейчас понижение её производительности не отражается на производительности компьютера в целом.

2.4 Кэш-память

Скорость работы процессора определяется скоростью работы всех его участков, которая зависит от их аппаратных возможностей и пропускных способностей соответствующих шин данных. Предвидя это, производители процессоров с целью максимально ускорить работу аппаратных блоков изобрели и внедрили кэш-память. Кэш-память отличается от оперативной памяти компьютера скоростью работы. Скорость работы кэш-памяти в десятки раз выше скорости работы оперативной памяти, это связано с технологическим процессом их изготовления и условиями функционирования.

Кэш-память бывает 3-х уровней:

1-го уровня – выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем несколько десятков килобайт;
2-го уровня – выполняется на отдельном кристалле, но располагается в границах процессора с объемом 100 и более килобайт;
3-го уровня– выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах расположенных на материнской плате и имеет один и более мегабайт.

Самая быстрая это кэш-память первого уровня, следом вторая, третья. Обязательным являются кэш-память первых двух позиций, но при желании можно сделать и гораздо больше. В любом случае эта память будет быстрее оперативной.

Размер кэш-памяти может быть многообразным – в зависимости от модели процессора и его производителя. Обычно размер кэш-памяти первого уровня значительно меньше второго или третьего. Кроме того, кэш-память первого уровня самая быстродействующая, поскольку работает на частоте ядра процессора.

Статическая кэш-память на системной плате стала широко применяться с процессорами 386, 486 и Pentium, производительность которых сильно оторвалась от быстродействия динамической памяти. На системной плате Pentium кэш является вторичным, а все из-за того, что первый уровень кэширования реализуется внутри процессора.

В качестве кэш-памяти применяются следующие типы статической памяти:

AnyncSRAM, так же известная как A-SRAM или SRAM, - традиционная асинхронная память;
SyncBurstSRAM, или SBSRAM, - пакетная синхронная память;
PBSRAM– пакетно-конвейерная синхронная память.

Кэш-памяти процессоров Intel и AMD заметно отличаются размером. Процессоры AMD имеют эксклюзивный тип кэш-памяти, то есть в памяти любого уровня содержатся только уникальные данные. В Intel же данные могут повторяться. Именно поэтому объем кэш- памяти Intel больше чем AMD.

Как и обычная память так и кэш-память имеет разрядность. От разрядности зависит быстродействие так как, чем больше разрядность тем больше данных можно передать за один такт. Процессоры различных производителей работают с кэш-памятью по-разному: одни используют большую разрядность, например 256 Бит, вторые – малую, но в режиме одновременного чтения и записи.

2.5 Архитектура процессора

Архитектура процессора или вычислительной системы - это совокупность ключевых решений по следующим направлениям:

выбор структурных элементов процессора (АЛУ, блоков регистровой памяти, контроллера прерываний, блока синхронизации) и их интерфейсов для связи между собой и с внешними устройствами;
поведение каждого из этих структурных элементов, специфицированное в кооперациях с другими элементами (то есть описание функционирования элемента с учетом взаимодействия с ним других элементов),
составление из этих элементов все более крупных подсистем;
единый архитектурный стиль, направляющий и определяющий всю организацию процессора (его элементов, их интерфейсов и взаимодействия).

Архитектура процессора влияет на следующие характеристики:

стоимость использования;
надежность функционирования;
способность к реконфигурации;
простота применения (проектирования систем на его основе);
реактивность-быстродействие-производительность
другие.

Стоимость использования процессора включает стоимости микросхем, стоимость проектирования архитектуры, аппаратуры, программного обеспечения, тестирования, документирования систем на базе процессора;

Надежность функционирования, в простейшем случае, измеряется в параметрах среднего времени между отказами.

Реактивность (задержка обслуживания), быстродействие и средняя/пиковая производительность взаимосвязанные характеристики производительности системы в различных ситуациях.

Способность к реконфигурации - возможность и время переконфигурирования системы при сбоях.

Раньше процессоры можно было легко идентифицировать по названию и тактовой частоте. Однако с появлением процессоров с разной архитектурой (разными ядрами) подобная маркировка процессоров оказалась малоэффективной. Неразберихи добавили также процессоры AMD, которые в качестве тактовой частоты используют Pentium -рейтинг, а не настоящую частоту процессора.

Сейчас существует определенный способ маркировки процессоров Intel, который можно расшифровать по таблице соответствий. Для процессоров AMD маркировка пока нет.

2.6 Энергопотребление и тепловыделение

С самой ранней стадии развития процессора не учитывался фактор потребления количества энергии так как первые процессоры потребляли малое количество энергии. Но с ростом тактовых частот и количества транзисторов в ядре чипов, этот показатель стал стремительно расти. Если во время создания процессора фактор энергопотребления не учитывался то сегодня он имеет колоссальное влияние на эволюцию процессоров.

Чем выше энергопотребление процессора, тем больше он выделяет тепла, это может привести к перегреву и выходу из строя процессора и окружающих его микросхем. Чтобы этого не произошло для отведения тепла используются специальные системы охлаждения, размер которых, напрямую зависит от количества выделяемого тепла процессором.

В начале 2000-ых годов тепловыделения некоторых процессоров выросло выше 150 Вт, а чтобы их охлаждать приходилось использовать большие и шумные вентиляторы. Помимо этого, средняя мощность блоков питания того времени составляла 300 Вт, а это означало что половина должна была уходить на обслуживание «прожорливого» процессора.

Именно тогда производители поняли, что наращивание вычислительной мощности процессоров невозможно не может обойтись без снижения их энергопотребления. Разработчики были вынуждены кардинально пересмотреть процессорные архитектуры и начать активно внедрять технологии, способствующие снизить тепловыделение.

Именно тогда для оценки тепловыделения процессоров была введена величина, характеризующая требования к производительности систем охлаждения которая получила название TDP. TDP показывает на отвод какого количества тепла должна быть рассчитана та или иная система охлаждения при использовании с определенной моделью процессора. Например, TDP процессоров для мобильных ПК должно быть менее 45 Вт, так как использовать большие системы охлаждения в ноутбуках невозможно.

На сегодняшний день, в эру расцвета портативных устройств (ноутбуки, планшеты), разработчикам удалось добиться колоссальных результатов в борьбе снижения энергопотребления. Этому поспособствовал: переход на более тонкий технологический процесс при производстве кристаллов, внедрение новых материалов для снижения токов утечки, изменение компоновки процессоров, применение всевозможных датчиков и интеллектуальных систем, отслеживающих температуру и напряжения, а так же внедрение других технологий энергосбережения. Все эти меры позволяют разработчикам продолжать наращивать вычислительные мощности процессоров и использовать более производительные решения в компактных устройствах.

2.7 Тип разъема

Для установки в системную плату у процессора существует специальный разъем или гнездо, сокет (Socket). Процессорные слоты менялись за все время существования процессоров. это вызвано усложнением конструкции самих процессоров и увеличением количества контактов на его пластине. Помимо этого разные производители используют в процессорах различное количество контактов. Компания Intel ввела маркировку для своих процессоров. А вот AMD придерживаются старого способа маркировки. Он включает название процессора, его Pentium-рейтинг и дополнительный код из цифр и букв, с помощью которого можно узнать о ядре, технологическом процессе, степпингах и других показателях.

В Intel основным и самым распространенным сокетом для центральных процессоров считается LGA 1155. А вот самые производительные и продвинутые решения этой компании устанавливаются в разъем LGA 2011. LGA 775 и LGA 1156 уже не так популярны, выпуск процессоров под такие типы сокета практически прекращены.

У AMD самым популярным типом разъема является Socket AM3. В него устанавливаются самые ходовые и бюджетные продукты этой компании. Новейшие процессоры AMD оснащены разъемами Socket AM3+ и Socket FM1,возможно именно они станут популярны в ближайшее время .

Сокет у процессоров Intel и AMD отличается по одному характерному признаку. AMD делает процессоры на задней части которой расположено множество штырьков-контактов, благодаря им процессор подключаются к системной плате (вставляются в разъем). Intel делает процессоры контактные ножки которой расположены не на самом процессоре, а в внутри разъема материнской платы. Тип сокета для пользователя важен только в том случае, если планируется самостоятельно произвести замену процессора в компьютере.

Глава III Классификация процессоров

Процессор является основным устройством электронно-вычислительной машины в нем выполняются все вычислительные задачи и обработка информации. Поэтому основные характеристики процессора и определяют эффективность электронно-вычислительной машины в целом. К таким характеристикам относят разрядность, назначение процессора к примеру универсальный или специализированный, а так же длину контейнера, число внутренних регистров, емкость адресуемой памяти.

Эти же самые характеристики определяют и вычислительные свойства микропроцессора . Но для того чтобы оценить область использования и особенности разработки вычислительной техники на основе микропроцессора важными являются и такие характеристики микропроцессора как интегральные схемы. Основными из них являются: быстродействие; масса и габаритные размеры, число источников питания; потребляемая мощность; надежность; эксплуатационная стойкость; стоимость.

Классификация процессора по наиболее существенным из перечисленных характеристик служит основой для выбора эффективной области применения того или иного типа микропроцессора.

3.1 По выполняемым функциям и области применения

Процессоры встраиваемых (управляющих) систем (embedded processor):

Универсальные процессоры. Универсальные процессор имеет набор структурных блоков , архитектуру, а так же конструктивно-технологические использование и систему команд которые позволяют достаточно эффективное использование данного процессора в широком круге разнотипных задач, в различных условиях;
С расширенными возможностями дискретного ввода-вывода;
С расширенными возможностями обработки аналоговых сигналов (mixed signal processor (MSP));
С расширенными коммуникационными возможностями;

Коммуникационные процессоры - имеют специальную поддержку аппаратных интерфейсов и протоколов коммуникационных систем:

Сетевые - поддерживают распространенные сетевые и современные периферийные интерфейсы: Ethernet, HDLC, X.25, Tl, ATM, USB.
Модемные - поддерживают протоколы серий V2x, V3x передачи данных по синхронным и асинхронным модемным каналам.

Процессоры цифровой обработки сигналов. Такие процессоры реализуют методы цифровой обработки сигналов к примеру фильтрацию, спектральный анализ, смешение сигналов, масштабирование. Отличительная особенность таких процессоров в том, что поточная обработка больших объемов данных в реальном времени, требующая высокой производительности, но ограниченного набора операций.
Медийные процессоры - ориентированные на обработку видео- и звуковой информации:
- - С мультимедийным расширением набора команд;
  - Процессоры с аппаратной поддержкой мультимедийной обработки или медиапроцессоры. Такие процессоры имеют аппаратные блоки и развитую систему команд для обработки и передачи аудио и графических данных, видеоизображений. Используются в аудио- и видеоадаптерах в персональном компьютере, в игровых приставках, в бытовой технике.
Co-процессоры. Сопроцессор не выполняет многих необходимых операций по сравнению с процессором. К примеру, не умеет вычислять адреса памяти и работать с программой. Сопроцессор может быть как отдельной микросхемой, так и быть встроен в центральный процессор;

Математические сопроцессоры. Сопроцессор для расширения командного множества центрального процессора и обеспечивающий его функциональностью модуля операций с плавающей запятой, для процессоров, не имеющих интегрированного модуля.
Сопроцессор ввода-вывода - за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств. Освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.

Транспьютеры - это процессор для построения массово-параллельных систем. На кристалле такого процессора расположено процессорное ядро, память и специальные быстродействующие каналы связи для взаимодействия с другими транспьютерами. Основной производитель разработчик компания Inmos, Inc (Великобритания).
Другие типы спецпроцессоров:

Нейропроцессоры - это сопроцессоры, которые ориентированы на построение систем с архитектурой нейронных сетей. Нейропроцессоры применяются для решения плохо формализуемых задач. К примеру, распознавание образов, предсказание поведения систем, оптимизация;
Процессоры языков высокого уровня (C#, Objective-C);
Узкоспециализированные (медицинская техника, военные, для научно-исследовательских систем).

3.2 По полноте вычислительного ядра

Co-процессоры (арифметические, ввода-вывода). Сопроцессор не выполняет многих необходимых операций по сравнению с процессором. К примеру, не умеет вычислять адреса памяти и работать с программой. Сопроцессор может быть как отдельной микросхемой, так и быть встроен в центральный процессор;
Полнофункциональные (обычные) процессоры;
С расширенной периферией (например, процессоры для встроенных применений). Периферийные процессоры могут быть специальные и универсальные. Специальные реализуют единственный алгоритм обработки данных. Универсальные или матричные реализуют ограниченный набор стандартных алгоритмов. Таким образом, берут на себя всю работу по организации и управлению обменами и связью системы с внешним миром. Выполняя данную команду, вырабатывает некоторый адрес главной памяти. Устройство управления после этого выполняет следующую работу: содержимое всех управляющих регистров центрального процессора, а именно регистров Р, RA, FL, ЕМ, а также содержимое всех адресных, индексных и регистров операндов пересылается в определенном порядке в массив главной памяти, указанный в команде перехода со сменой. Одновременно из той же самой области памяти хранившаяся там информация в той же последовательности рассылается по главным регистрам центрального процессора. Происходит, таким образом, процесс обмена содержимого указанного участка памяти с быстрыми регистрами. Это эквивалентно запоминанию состояния программы, прерванной командой перехода со сменой задач, и переходом к решению другой задачи, состояние которой хранилось в этом же участке запоминающего устройства. Очевидно, если в дальнейшем возникнет необходимость продолжить выполнение прерванной программы, следует дать команду перехода с адресом этого участка памяти;
Однокристальная электронно-вычислительная машина (ОКМЭВМ) или микроконтроллер - БИС, структурная схема которой содержит все функциональные узлы, необходимые для обеспечения автономной работы в качестве вычислительного или управляющего устройства. На кристалле ОКМЭВМ располагаются: процессор, периферийные устройства различного типа, блоки постоянной и оперативной памяти, блоки управления и синхронизации и, возможно, некоторые другие блоки;
Однокристальные мультипроцессорные системы.

3.3 По архитектуре вычислительного ядра

По разрядности ядра:
- - Типовые (с разрядностью 4, 8, 16, 32, 64);
  - С большей разрядностью. На данный момент не популярны;
  - С нестандартной (не кратной 8-ми) разрядностью. Серийных моделей не выпускается, могут разрабатываться для узкоспециализированных применений;
  - Масштабируемые (блочно-секционные).
По организации памяти:
- - С Гарвардской архитектурой - с раздельной памятью программ и памятью данных. Не допускается запуск исполнения кода, расположенного в памяти данных;

В Гарвардской архитектуре принципиально различаются два вида памяти:

- - Память программ
  - Память данных

В Гарвардской архитектуре исключается возможность случайного разрушения управляющей программы в случае неправильных действий над данными. Это вызвано тем что в Гарвардской архитектуре принципиально невозможно произвести операцию записи в память программы. Помимо этого в ряде случаев памяти данных и памяти программ могут быть выделены отдельные шины обмена данными. Именно эти особенности и определили области применения этой архитектуры построения микропроцессоров. Гарвардская архитектура применяется микроконтроллерах, где нужно обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры и в сигнальных процессорах, а так же эта архитектура кроме обеспечения высокой надёжности работы устройств позволяет обеспечить высокую скорость выполнения программы, за счёт одновременного считывания управляющих команд и обрабатываемых данных, помимо этого возможна запись полученных результатов в память данных.

- - С Принстонской архитектурой (архитектурой Фон-Неймана) – с единой памятью для хранения команд и данных. Данные могут интерпретированы как исполняемый код.

Отличительной чертой архитектуры Фон Неймана является в возможность работать над управляющими программами так же как над данными. Что позволяет произвести загрузку и выгрузку управляющих программ в любое место памяти процессора, данная память не разделяется по своей структуре на память программ и память данных. Любой участок этой памяти может служить как памятью программ, так и памятью данных. В разное время одна и та же область памяти может использоваться и как память данных, так и как память программ. Для этого перед загрузкой необходимо модернизировать области памяти, то есть работать с нею как с обычными данными. Данная особенность позволяет наиболее гибко управлять работой микропроцессорной системы, но это создаёт принципиальную возможность искажения управляющей программы, из-за чего понижается надёжность работы аппаратуры. Эта архитектура используется в универсальных компьютерах и в некоторых видах микроконтроллеров.

По системе команд:
- - CISC - с традиционным набором команд. Команды могут иметь разные форматы, различную длину и время исполнения. В результате для их дешифрации и исполнения необходимо более сложное и соответственно медленное устройство управления, затруднена конвейерная обработка потока команд;
  - RISC - с сокращенным набором команд. Используется небольшое число форматов команд с одинаковой длиной и временем исполнения.

В процессорах с полным набором команд , а именно CISC процессорах, используется уровень микропрограммирования для того, чтобы декодировать и выполнить команду микропроцессора. В CISC процессорах формат команды не зависит от аппаратуры процессора. На одной и той же аппаратуре при смене микропрограммы могут быть реализованы различные микропроцессоры. С другой стороны смена аппаратуры никак не влияет на программное обеспечение микропроцессора. С точки зрения обычного пользователя у микропроцессора только увеличивается производительность, уменьшаются габариты устройств, снижается потребление энергии. Неявным недостатком таких процессоров является то, что производители микросхем стараются увеличить количество команд, которые может выполнять микропроцессор, тем самым увеличивая сложность микропрограммы и замедляя выполнение каждой команды в целом.

В процессорах с сокращённым набором команд, а именно в RISC процессорах, декодирование и исполнение команды производится аппаратно, поэтому количество команд ограниченно минимальным набором. В этих процессорах команда и микрокоманда совпадают. Однозначным преимуществом этого типа процессоров является то, что команда может быть в принципе выполнена за один такт, однако для выполнения тех же действий, которые выполняет команда CISC процессора, требуется выполнение целой программы.

RISC процессора выполняют одну команду за один такт, из-за этого производители провозглашают однозначное превосходство RISC процессоров над CISC процессорами, однако при выборе процессора нужно учитывать все параметры в целом.

В основном тактовая частота RISC процессора заметно ниже в сравнение с CISC процессором, поэтому общая производительность, микропроцессорной системы, построенной на RISC процессоре, может оказаться той же или ниже по сравнению с микропроцессорной системой, построенной на CISC микропроцессоре.

Разрядность команды RISC процессора может оказаться выше, чем у CISC процессора. Из-за этого общий объём исполняемой программы для RISC процессора превысит объём подобной программы для CISC процессора. Это ведет к повышенным требованиям к объему ПЗУ.

CISC микропроцессор состоит из двух частей:

- - Блок микропрограммного управления;
  - Обрабатывающий блок.

Заключение

Главной темой этой курсовой работы являться процессор. В процессе работы над темой на основе рассмотренной методической литературы и статей в периодических изданий по данному вопросу, были рассмотрены назначение, функции, классификации процессора.

Процессор это главная часть компьютера которая распоряжается всеми операциями в компьютере, выполняя их самостоятельно или отдавая приказы другим периферийным устройствам. важными характеристиками процессора являются разрядность, частота ядра, шины, кэш-память, а так же другие характеристики важные в том случае, если планируется самостоятельно произвести замену процессора в компьютере.

Классификация процессора довольно разнообразна. По выполняемым функциям и области применения, по полноте вычислительного ядра, по архитектуре вычислительного ядра.

Процессор это безусловно важная часть компьютера, но он не сможет выполнять работу без периферийных устройств. Выбирая процессор важно учитывать все его характеристики, а так же для каких функций приобретается данный процессор.

Список литературы

Аппаратные средства персональных компьютеров. Самоучитель (В. Г. Соломенчук, 2002).
Видеосамоучитель. Собираем компьютер своими руками: Питер; Санкт-Петербург; 2008.
«Компьютер. Большой самоучитель по ремонту, сборке и модернизации»: АСТ, Прайм‑Еврознак; Москва, Санкт‑Петербург; 2008.
Андрей Сухов "устройство компьютера для начинающих. Простыми словами о сложных вещах." 2011.
"Компьютер. Энциклопедия" - СПб.: Питер 2009 Ташков Петр.
Самарский государственный аэрокосмический университет им. Академика С.П.Королева (Национальный исследовательский университет) КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ "ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ИЗДАТЕЛЬСКОМ ДЕЛЕ" [Электронный ресурс] / Нечитайло С.А. М.,2015 . URL: https://studfiles.net/preview/2113925/ (Дата обращения: 18.10.2018).
Что такое центральный процессор? [Электронный ресурс] /Виталий Шундрин М., 2012. https://mediapure.ru/matchast/chto-takoe-centralnyj-processor/ / (Дата обращения: 25.10.2018).
Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс (бывш. ОрелГТУ) [Электронный ресурс] М.,2015 https://studfiles.net/preview/2619027// (Дата обращения: 25.10.2018).
Пособие для начинающих: Центральный процессор и его характеристики [Электронный ресурс]/ Валерий Чугунков М.,2012 http://www.compbegin.ru/articles/view/_69 Дата обращения: 25.10.2018).
Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля Конспект лекций / Лекция7 Микропроцессоры [Электронный ресурс] М.,2015 https://studfiles.net/preview/2523586/ (Дата обращения: 25.10.2018).
Микропроцессоры и микропроцессорные системы [Электронный ресурс] М.,2016 https://helpiks.org/6-51929.html (Дата обращения: 25.10.2018).
Специализированные процессоры. Процессоры для встраиваемых применений. Конспект лекций. Разделы 1- 2. Кустарев Павел Валерьевич. Кафедра Вычислительной Техники СПбГИТМО (ТУ) Санкт-Петербург 2002г.