Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров ПК)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших компонентов каждого персонального компьютера является микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет значительную долю обработки.

В современном мире тяжело отыскать технологию, где не применялись микропроцессоры.

Актуальность данной темы является то, что микропроцессор компьютера является основой для современной компьютерной техники. Компьютерная технология является основой современного прогресса. Она обеспечивает работу современных станков, контроль технологического процесса на производстве, связь на всех уровнях (от межгосударственного до бытового). С ее помощью производятся трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы проектирования, разработки, фундаментальные исследования, то есть, задает темп для роста прогресса. В зависимости от того, как будет в будущем модифицироваться мощность этой мелкой детали, будет зависеть производительность всей компьютерной техники в целом.

В микропроцессорах, самые сложные микроэлектронные устройства - это воплощение в себе самых передовых достижений инженерной мысли.

В микропроцессорах отражены высокие научно-технические достижения в области физики твердого тела, кристаллографии, радиотехники и электроники, математики и автоматизации, кибернетики и электроники. Существуют различные применения микропроцессоров. Наиболее важными из них являются: автоматизация электрооборудования, управления производством, физического и математического моделирования, обработки экспериментальных результатов, устройств управления и искусственных органов в медицине, безопасности на транспорте и т.д.

Цель данной курсовой работы: рассмотреть классификацию, структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- Раскрыть основные понятия темы;

-Дать общую схему классификации микропроцессоров;

- Рассмотреть структуру и основные функции процессоров для ПК.

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ПРОЦЕССОРА

Персональный компьютер является электрическим устройством, работающим от сети переменного тока напряжением 220 В. Поэтому при работе с компьютером надлежит придерживаться определённых мер безопасности, чтобы предотвратить возможность поражения электрическим током, возникновения пожара и выхода из строя самого компьютера.

Пользователи при работе с техническими и телекоммуникационными средствами обязаны соблюдать следующие меры предосторожности:

- ежедневно, перед использованием технических средств контролировать состояние кабельных соединений, заземления, питающих розеток, удлинителей;

- не допускать розлива жидкостей, а в случае розлива немедленно прекращать работу, отключив электропитание;

- не допускать установки или перемещения оборудования к местам с повышенной влажностью;

-запрещается во время работы технических и телекоммуникационных средств размыкать и замыкать разъёмные соединения;

-снимать крышку системного блока и производить любые операции внутри корпуса;

- сетевые розетки, от которых питаются технические и телекоммуникационные средства, должны соответствовать вилкам кабелей электропитания и обязательно иметь заземляющий контакт;

- не допускать, чтобы сетевой шнур был скручен или чем-либо придавлен, не допускать установку предметов на питающий кабель, следить за тем, чтобы питающий кабель находился в стороне от тех мест, где проходят люди, чтобы никто не мог на него наступить или зацепиться;

- не помещать оборудование на неустойчивую поверхность. После падения оно может оказаться поврежденным и, соответственно, пожаро- и электроопасной;

- не эксплуатировать оборудование при температуре выше допустимой. Запрещается закрывать вентиляционные отверстия на корпусе системного блока и монитора посторонними предметами;

- повторное включение компьютера должно проводиться не ранее, чем через 30 секунд после выключения;

Для осуществления централизованного управления персональными компьютерами пользователей локальной вычислительной обычно используется MicrosoftActiveDirectory (далее – AD). AD позволяет вести централизованные списки пользователей ЛВС, управлять авторизацией персональных компьютеров пользователей в ЛВС, управлять авторизацией пользователей в ЛВС, разграничивать доступ и устанавливать параметры безопасности доступа к различным сетевым ресурсам и объектам ЛВС.

Управление персональными компьютерами пользователей.

Все персональные компьютеры, имеющие какое-либо физическое подключение к ЛВС, должны быть включены в логическую структуру AD. Вновь поступающие персональные компьютеры должны включаться в AD администраторами сети до момента передачи его пользователю.

При включении персонального компьютера пользователя ЛВС в AD он закрепляется непосредственно за данным пользователем с указанием ФИО пользователя и физического месторасположения компьютера, пользователь не имеет права изменять физическое месторасположение компьютера.

Название персонального компьютера в AD присваивается администраторами сети и не может быть изменено пользователями ЛВС.

Управление коллективными компьютерами пользователей в AD.

Все компьютеры, используемые совместно несколькими пользователями ЛВС или от имени коллективного пользователя, должны быть включены в логическую структуру AD. При включении коллективного компьютера в AD указывается его физическое месторасположение. Пользователи не имеют права изменять физическое месторасположение компьютера.

Название коллективного компьютера в AD присваивается администраторами сети и не может быть изменено пользователями ЛВС.

Управление пользователями.

Все пользователи ЛВС должны быть зарегистрированы в AD.

При регистрации пользователя в AD администраторы сети присваивают данному пользователю имя входа и первоначальный пароль, с которым данный пользователь осуществляет первый вход в ЛВС. При первом входе пользователь обязан поменять первоначальный пароль. Пользователь не имеет права сообщать третьим лицам свое имя входа и свой пароль.

Все пользователи, осуществляющие вход на любом из компьютеров, зарегистрированных в AD, изначально работают с правами «Пользователь». В особых случаях, связанных с невозможностью запуска прикладного ПОс правами «Пользователь», пользователю может предоставляться право «Администратор». Право «Администратор» предоставляется пользователю на конкретный компьютер.

В AD ведется учет месторасположения пользователя, его служебного телефона и корпоративного e-mail. В случае изменения учетных данных, пользователь должен незамедлительно сообщать об изменениях администраторам сети.

Любая деталь в компьютере отвечает за свой механизм и имеет жизненно важное значение. Если материнскую плату лишить какого-либо компонента, в конечном итоге, компьютер не будет работать. В большей степени этот факт относится к процессу, который считается мозгом компьютера. От такой маленькой по размерам детали, может завесить вся работа системы компьютера.

Не многие люди понимают значение и назначение процессора. Тем не менее, при выборе компонентов, необходимо обратить внимание на скорость для решения проблем, из-за мощности и типа процессора зависит от выполнения различных команд и скорости обработки. Прежде всего, необходимо понять - какую роль осуществляет процессор и в чем его назначение.

Процессор (или центральный процессор, ЦП) — это транзисторная микросхема, которая является важнейшим вычислительным и управляющим элементом компьютера.

Процессор - это специально выращенный полупроводниковый кристалл, на котором располагаются транзисторы, соединенные напиленными алюминиевыми проводниками. Кристалл помещен в керамический корпус с контактами.

Современные процессоры выполнены по технологии с 0,13-микронной, то есть, толщина кристалла процессора составляет 0,13 микрон. Для сравнения, толщина кристалла является первым процессором Intel составляла 10 микрон.

Процессор должен обработать код. Другими словами, он выполняет все операции, связанные с управлением периферийных устройств и обработки данных. Его основные характеристики - разрядность, тактовая частота, быстродействие. Указанные характеристики оказывают влияние на стоимость устройства. Но, при всем этом, нельзя забывать и о бренде.

Центральный процессор (ЦП; англ. Centralprocessingunit, CPU, дословно — центральное вычислительное устройство) - это исполнитель машинных инструкций, доля аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, который отвечает за выполнение операций, заданных программами.

Нынешние ЦП, исполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, свойственные данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Изначально термин «Центральное процессорное устройство» описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Ранние процессоры были созданы в виде уникальных составных частей для уникальной, и даже единственный в своем роде компьютерных систем. Позже дорогостоящий способ разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной или более специализированных программ, производители компьютеров переместились к массовому производству стандартных классов блоков обработки многоцелевые. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала еще более популярным. Создание микрочипов помогла увеличить сложность ЦП при одновременном снижении их физического размера. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению на основе их цифровых устройств в повседневную жизнь. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, таких как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах, и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современный вычислительный потенциал микроконтроллера сравним с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже существенно превосходят их показатели.

Большинство нынешних процессоров для персональных компьютеров, в общем, разработаны на основе той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретенный Джоном фон Нейманом.

Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году [6, c. 115]. В разных архитектурах и для всевозможных команд может быть понадобиться добавочные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

Этапы цикла выполнения:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;

2. Выставленное число является для памяти адресом; память, приняв адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;

3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;

4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;

5. Снова выполняется п. 1.

Этот цикл выполняется последовательно, и что он назвал процесс (отсюда и название устройства).

В ходе процесса, процессор считывает порядок команд, содержащихся в запоминающем устройстве, и осуществляет их. Эта последовательность команд именуется программой и является алгоритмом процессора. Последовательность команд чтения изменяется в том случае, если процессор считывает команду для перехода - тогда адрес следующей команды может быть другим. Иным примером изменения процесса может быть случай приема команды останова или переключение на обработку прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно.

Там нет проверки на достоверность исполненных действий, в частности, не проверяется вероятная утрата ценных данных. Чтобы компьютер смог осуществлять едва лишь санкционированные действия, команды должны быть надлежащим образом сформированы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор производит импульсы, которые служат в качестве ритма для процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Рассмотрим конвейерную архитектуру процессора. Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Как правило, реализация каждой команды требуется выполнить ряда подобных операций, к примеру: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

• прием и декодирование инструкции (извлечение)

• адресации и извлечение операнда из ОЗУ (Memoryaccess)

• арифметика (ArithmeticOperation)

• сохранить результат операции (магазин)

После освобождения в K-й ступени конвейера, он сразу же начинает работать на следующей команде. Если допустить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, тем не менее в самом оптимистичном случае итог выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо осуществлять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при применении конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд потребуется всего лишь n + m единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

1) простой конвейера, когда отдельные ступени не применяются (например, адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, когда команда работает с регистрами);

2) ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);

3) очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры обладают более 30 ступеней в конвейере, это усиливает продуктивность процессора, но приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.).

Первый микропроцессор в открытом доступе был 4 бит Intel 4004. Он был заменен на 8-битной Intel 8080 и 16-разрядные 8086, были заложены основы для архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за преобладания модулей памяти 8-разрядных была выпущена 8088, 8086 клон с 8-битной шиной памяти. Затем приступил его модификации в 80186. Процессор 80286 появился защищенный режим режим, 24-битную адресацию, что позволяет использовать до 16 МБ оперативной памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и представил расширенный защищенный режим, 32-разрядной адресации, что позволило использовать до 4 Гб оперативной памяти и механизм поддержки виртуальной памяти. Эта линейка процессоров, построенных на модели регистра вычислений.

Рассмотрим технологию изготовления процессоров.

В современных компьютерах, процессоры выполнены в виде компактного модуля (размер примерно 5 × 5 × 0,3 см) вставляются в гнездо ZIF-сокет. Большинство современных процессоров реализованы как один полупроводниковый чип, содержащий миллионы, а в последнее время даже миллиарды транзисторов. Первые компьютерные процессоры были громоздкие агрегаты, иногда как целые шкафы и даже комнаты, и были выполнена из большого количества отдельных компонентов.

В начале 1970-х годов благодаря прорыву в технологии БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микросхемы, можно было разместить все нужные компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Были так называемые микропроцессоры. В наше время слова микропроцессор и процессор стали почти синонимами, но тогда это было не так, потому что нормальные (большие) и микропроцессорные компьютеры мирно сосуществовали до сих пор, по крайней мере, на 10-15 лет, и только.в начале 1980-х лет, микропроцессоры заменили их старшие коллеги. Переход к микропроцессорам позволил создать персональные компьютеры, которые теперь почти есть в каждом доме [1, с. 88].

Первый микропроцессор Intel 4004 был запущен 15 ноября 1971 г. с Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работающих на тактовой частоте 740 кГц и стоил $ 300.

На протяжении многих лет, микропроцессорная технология разработала много различных архитектуры. Многие из них (в расширенной и улучшенной форме) все еще используются сегодня. Например, Intel x86, разработанная первоначально в 32-битном IA-32, а затем 64-битный x86-64 (Intel, который называется EM64T). Архитектура x86 архитектура процессора впервые была использована только в персональных компьютерах компании IBM (IBM), но теперь все чаще используется во всех областях компьютерной индустрии, от больших ЭВМ для встраиваемых решений. Вы также можете перечислить такие архитектуры, как альфа, мощности, SPARC, PA-RISC архитектуры процессора архитектуры MIPS (RISC) и IA-64 (EPIC архитектуры).

Большинство процессоров, используемых в настоящее время Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и т.д., как процессоры компании Intel.

Наиболее популярные процессоры сегодня сделаны из фирмы Intel, AMD и IBM. Среди процессоров от Intel: 8086, i286 (в компьютерном жаргоне называется "двойка", "двушка") для i386 ( "три", "три"), i486 (квартет), Pentium ( "пень", "пень" , "пень второй", "третий перо" и т.д. Существует также возвращение имен: Pentium III под названием "Тройка", Pentium 4-я - "четверка"), то Pentium процессор, Pentium III и Celeron с ( упрощенная версия Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7 и Xeon серии процессоров для серверов), Itanium атома серии процессоров для встраиваемых технологий) и т.д. Компания AMD имеет в своей линейке процессора архитектуры x86 архитектура (по аналогии с 80386 и 80486, семьи, семьи K6 и K7 - Athlon, Duron, Classic) и x86-64 (Athlon 64 и Athlon 64 X2, на Phenom, Opteron и т.д.).

2. ТИПЫ ПРОЦЕСОРОВ

Определение микропроцессора

Микропроцессор (МП) является программным управлением электронным цифровым прибором, предназначенным для обработки цифровой информации и управлением этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов. Классификация современных микропроцессоров на функциональному признаку. (Приложение А).

Первые микропроцессоры появились в 1970-е годы и были использованы в электронных калькуляторов, используя двоично-десятичный арифметику на 4-разрядных слов. Вскоре они начали встраиваться их в других устройства, таких как терминалы, принтеры, а также различные автоматизации. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресации позволили в середине 1970-х годов, создан первый отечественный бытовой микрокомпьютер.

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных схем малой и средней интеграции, содержащие от нескольких до нескольких сотен транзисторов. Размещение процессора на одном кристалле сверхбольших интеграций привело к значительному снижению его стоимости. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других компьютеров, в настоящее время, один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всем, от самых маленьких встраиваемых систем и мобильных устройств устройства на больших мейнфреймов и суперкомпьютеров.

С начала 1970-х широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов наинтегральной микросхемы удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х годов, главным препятствием для развития новых микропроцессоров было рассеивание (TDP) из-за утечки тока и других факторов [1].

Некоторые авторы называют микропроцессорами только те устройства, которые реализованы строго на одном чипе. Это определение расходится с научными источниками и коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие как Pentium II — были реализованы на нескольких микросхемах).

В данное время, в связи с весьма небольшим распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» почти равносильны.

Классификация микропроцессоров

Число больших интегральных схем (БИС) для микропроцессорного комплекта различают микропроцессоры однокристальными, многокристальные и многокристальный секционные.

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольших интегральная схема). По мере роста уровня интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров совершенствуются.

Тем не менее потенциалы однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора нужно провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная полнота БИС многокристальный микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать независимо друг от друга.

Секционные многокристальные микропроцессоры, получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть использованы для решения широкого круга разнообразных задач. Тем не менее, их производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, и предназначен для повышения производительности при выполнении арифметических операций, например, матричные методы их реализации, для обработки данных в различные области применения и т.д.

Со ссылкой на обрабатывание входных сигналов различают аналоговые и цифровые микропроцессоры. Сами по себе микропроцессоры, цифровые устройства, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Вследствие этого входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Отличительной особенностью аналоговых процессоров - это способность перерабатывать большое количество числовых данных, т.е. выполнения операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

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

Асинхронные микропроцессоры разрешают начало выполнения каждой следующей операции установить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные.

В одномагистральных микро ЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральныхмикроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет одновременную передачу информационных сигналов с помощью нескольких (или всех) дорог. Такие системы усложняет их конструкцию, но увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к другой выполнения программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессах одновременно выполняет несколько (обычно несколько десятков) программ.

Структура микропроцессора

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления [3, с.80]. На самом деле, процессор в компьютере не один из них может быть целый десяток . Собственным процессором снабжена видеоплата, звуковая плата, множество внешних устройств (например, принтер). И часто по производительности эти микросхемы могут поспорить с главным, центральным процессором. Но в отличие от него, все они являются узкими — один отвечает за обработку звука, другой — за создание трехмерного изображения.

Основным и наиболее важным отличием процессора является его универсальность. При желании (и, конечно же, с необходимой мощностью и соответствующим программным обеспечением) процессор может взять на себя любую работу, в то время как процессор видеокарты при всем желании не сможет декодировать, скажем, музыкальный файл .

Любой процессор выращевается по специальной технологии кристаллического кремния (не зря на жаргоне процессор называется "камень"). Тем не менее, этот камень содержит множество отдельных элементов - транзисторов, соединенных металлических мостов-контактов. Они дают компьютеру возможность "подумать". Точнее, вычислять, производя определенные математические операции с числами, в которые преобразуется любая поступающая в компьютер информация.

Определенно один транзистор, никаких специальных расчетов не может производить. Единственное, на что он способен это электронный переключатель, чтобы пропустить сигнал или задержать его, в зависимости от приложенного напряжения к его "ворота". Наличие сигнала дает логическую единицу (да); его отсутствие логики равна нулю (нет).

Тем не менее, процессор не просто набор транзисторов, а целая система многих устройств [4, С. 38]. Структура микропроцессора включает в себя следующие устройства:

1. Арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций числовой и символьной информации.

2. Блок управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие функции:

• создает и поставляет все блоки машины в определенные моменты и определенные сигналы управления (управляющие импульсы) из-за характера различных операций;

• формы "ячеек памяти, используемых при работе и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;

• получает от генератора тактовых импульсов последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная память используется для временного хранения, записи и выдачи информации, используемой в расчетах непосредственно в следующем рабочем цикле машины. Микропроцессорная память основана на регистрах и используется для достижения высокой производительности компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы высокоскоростного микропроцессора [5]. Важно также отметить, что данные, сохраненные в некоторых регистрах, не рассматривались как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах [3, с. 80].

4. Кэш-память. Кэш-память является своего рода диск для данных. Современные процессоры используют два типа кэш-памяти: первый уровень мал (несколько десятков килобайт) сверхбыструю память, а второй уровень - немного медленнее, но больше - от 128 Кб до 2 Мб [4, C. 38].

5. Процессор соединен несколькими группами проводников, называемых шинами. С другими компьютерными устройствами, и в первую очередь с оперативной памятью. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

1. Адресная шина. Шина или часть шины, предназначенной для передачи адреса, он использует процессор, чтобы выбрать нужную ячейку памяти или устройства ввода / вывода путем установки шины конкретный адрес, соответствующий одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода входящих в систему.

2. Командная шина. Она посылает управляющие сигналы для предназначенных устройств памяти и устройств ввода / вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

3. Шина данных - магистраль данных, через которую процессор может обмениваться данными с другими устройствами компьютера [3, с. 80].

Трудно поверить, что все эти устройства размещены на площади чипа не более 4-6 квадратных дюймов! Только под микроскопом мы можем увидеть крошечные элементы, которые составляют микропроцессор, который соединяет металл "дорожки" (для их производства сегодня используется алюминий, однако, приходит медь) [4, С. 38].

Основные характеристики микропроцессоров ПК

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя основными характеристиками: тип (модель) и тактовой частотой. Одни и те же модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту более высокую тактовую частоту, чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота определяет, сколько базовых операций (циклы) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует отметить, что различные модели микропроцессоров выполняют ту же операцию для различного числа циклов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов, необходимых для выполнения тех же операций.

Рассмотрим характеристики процессора более подробно.

1. Тип микропроцессора.

Тип установленного в компьютере, микропроцессора является основным фактором, определяющим внешний вид компьютера. Именно от него зависят вычислительные возможности компьютеpа. В зависимости от типа используемого микpопpоцессоpа и определенных им аpхитектуpных особенностей компьютера различают пять классов ПК:

- компьютеры класса XT;

- компьютеры класса AT;

- компьютеры класса 386;

- компьютеры класса 486;

- компьютеры класса Pentium.

2. Тактовая частота микропроцессора является указателем, сколько элементарных операций (циклы) микропроцессор выполняет в секунду.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами обусловливает период одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.

Частота тактового генератора является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, для каждой операции в машине выполняется в течение определенного числа циклов.

3. Рабочие характеристики микропроцессора является число элементарных операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени (операции / секунда).

4. Архитектура процессора максимальное количество битов двоичного кода, которые могут быть обработаны или переданы синхронно.

5. Архитектура микропроцессора.

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя набор команд и режимов адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, дополнительные устройства, состоящие из микропроцессора, принципы и режимы работы.

В соответствии с аpхитектуpными особенностями, определяющими свойства системы команд, различают:

- микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

- микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

- микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

- микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др. [6, с.32].

CISC-процессоры

ComplexInstructionSetComputer — это «компьютеры с полным набором команд». Данную архитектуру можно охарактеризовать высоким числом всевозможных по формату и длине команд, высокой численностью разных режимов адресации и располагает сложной кодировкой инструкций.

Характерные представители CISC являются семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

RISC-процессоры

RestrictedInstructionSetComputer - "компьютер с сокращенным набором команд". Архитектура процессоров, основанных на сокращенным набором команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операции регистр-регистр, а также отсутствие косвенной адресации. Концепция была разработана РНЦ Джоном Куком (JohnCocke) из IBM Research, название придумано Дэвид Паттерсон (DavidPatterson).

Среди первых реализаций этой архитектуры было MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. Мобильные устройства широко используются процессоры ARM.

Наиболее широко используется в настольных компьютерах, x86, ранее был CISC-процессоры, но новый процессор, начиная с IntelPentiumPro, процессоры являються с ядром RISC. Они как раз перед преобразовать CISC инструкции x86-процессоров в более простом наборе внутренних инструкций RISC.

После того, как x86 был переведен в суперскалярная RISC, мы можем сказать, что большинство существующих процессоров на базе архитектуры RISC.

MISC-процессоры

MinimumInstructionSetComputer — это «компьютеры с минимальным набором команд». Дальнейшее развитие идей команды ЧакаМура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (один или несколько кристаллов).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высоко интегрированную реализацию мультипроцессоров.

Многие ядерные процессоры включает в себя такие понятия, как наличие логических и физических ядер: двухъядерный процессор, например IntelCoreDuo состоит из одного физического ядра, который в свою очередь делится на два логических. Процессор IntelCore 2 Quad состоит из двух физических ядер, каждое из которых в свою очередь делится на два логических ядер, что существенно влияет на его скорость.

Первым процессором, предназначенным для массового использования, а не для встроенных систем, стал POWER4 с двумя ядрами PowerPC на одном кристалле, выпущенный компанией IBM в 2001 году.

Сегодня многие производители процессоров, в частности, Intel, AMD, IBM, ARM, дальнейшее увеличение количества процессорных ядер признан одним из приоритетных направлений повышения производительности.

В 2011 году AMD освоено производство 8-ядерные процессоры для домашних компьютеров и 16 процессоров для серверных систем.

Есть экспериментальные разработки процессоров с большим количеством ядер (более 20). Некоторые из этих процессоров уже нашли применение в конкретных устройствах.

Например, в октябре 2011 года компания представила Adapteva 64-ядерный микропроцессор Epiphany IV, которые показывают производительность 70 гигафлопс (SP), но при этом потребляет менее 1 Вт электроэнергии. Эти процессоры не могут быть использованы в качестве центрального процессора, но компания предлагает использовать их в качестве сопроцессора для таких сложных задач, как распознавание лица или жесты пользователя.

В январе 2012 года компания ZiiLABS, дочерняя компания CreativeTechnology анонсировала 100-ядерную систему на чипе ZMS-40. Эта система, сочетая 4-ядерный ARMCortex-A9 с частотой 1,5 ГГц (с мультимедийными неоновые блоков), и массив из 96 более простых и менее универсальных ядер StemCell. StemCell ядер энергетически эффективная архитектура SIMD, пиковая производительность при вычислении с плавающей точкой (32 бита) - 50 гигафлопс, ядро, которые работают больше как графические процессоры в других системах на чипе, и может быть использован для обработки видео, изображения и аудио, для ускорения 3D и 2D графики и других мультимедийных задач.

Компания AMD пошла своим путем, делая четырехъядерные процессоры в качестве одного чипа (в отличие от первых четырёхъя дерных процессоров Intel, которые фактически склейкой двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на прогрессивность такого подхода первый "Quad" компании, называется AMD Phenom X4, не был успешным. Разрыв между современными процессорами конкурента в диапазоне от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.

В 1-2 квартале 2009 года обе компании обновили свои продуктовые линейки четырёхъядерных процессоров. Intelпредставила Core i7 семейство состоит из трех моделей, работающих на различных частотах. Основные моменты этого процессора является использование контроллера трехканальной памяти (DDR-3) и технологии эмуляции восьми ядер (полезно для некоторых конкретных задач). Кроме того, из-за общей оптимизации архитектуры может значительно повысить производительность процессора во многих типах задач.

Компания AMD, в свою очередь, представила линейку Phenom II X4. Во время разработки, компания рассматривала свои ошибки: увеличение кэша (явно недостаточно на первом "Панама"), а также производство процессора было переведено на технологии 45 нм, с тем чтобы уменьшить тепловыделение и значительно увеличить работу частота. В целом, производительность X4 AMD Phenom II находится на одном уровне с процессорами предыдущего поколения Intel (ядро Yorkfield) и очень сильно отстает IntelCore i7. Тем не менее, принимая во внимание разумную стоимость платформы на основе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят гораздо более радужно, чем его предшественник.

Структурная схема микропроцессора.

Микропроцессор или микрокомпьютер - это практически законченная система управления. Он обладает сложной архитектурой и представляет собой сверхбольшую интегральную схему, которая выполнена, как правило, на одном полупроводниковом кристалле. Разные типы микропроцессоров различаются типом и размером памяти, комплектом команд, быстротой обработки данных, числом входных и выходных линий, разрядностью данных. Структурная схема микропроцессора ( приложение Б).

Центральный процессор (CPU) - это обязательный узел каждого микропроцессорного устройства, его ядро. В его состав входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ); регистр-аккумулятор; логические устройства управления и синхронизации; внутренняя шина.

Арифметико-логическое устройство исполняет арифметические или логические операции над данными, которые представлены в двоичном или двоично-десятичном коде. Результаты выполнения операции сохраняются в регистре-аккумуляторе. Регистр-аккумулятор играть роль ячейки оперативной памяти, но, в отличие от ОЗУ, обмен информацией совершается более короткими командами, т.е. регистр-аккумулятор является наиболее быстродействующим устройством памяти микропроцессора.

Устройство управления и синхронизации используется для управления прочими узлами микропроцессора, которые обеспечивают выполнение необходимых задач в соответствии с программой, хранимой в ПЗУ. Узел синхронизации обеспечивает синхронную работу всех узлов с помощью импульсов синхронизации и других управляющих сигналов. В состав устройства управления и синхронизации входят тактовый генератор и формирователь тактовых импульсов. Для генерации импульсов синхронизации употребляется кварцевый генератор, который имеет внешний кварцевый резонатор. Частота тактового генератора определяет быстродействие микропроцессора.

Микропроцессорная память (МПП) — служит для короткого хранения, записей и выдачи информации, естественно употребляемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и применяется для обеспечения значительного быстродействия машины, поскольку основная память (ОП) не всегда можетобеспечить скорость записи, поиска и считывания информации, которая необходима для результативной работы быстродействующего микропроцессора.

Интерфейсная система микропроцессора осуществляет сопряжение и согласованность с другими устройствами ПК; заключает в себе внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, которые обеспечивают их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O — Input/Outputport) — это аппаратура сопряжения, которая позволяет подсоединить к микропроцессору иноеприспособление ПК. Генератор тактовых импульсов, генерирует последовательность электрических импульсов.Частота генерируемых импульсов обусловливает тактовую частоту машины.

Таким образом, микропроцессор выступаеткак сложная организованная структура, любой элемент которой выполняет определенные функции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Персональный компьютер — это настольная или переносная ЭВМ, способная удовлетворить требования общедоступности и универсальности применения. Достоинствами ПК являются:

1) небольшая цена, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

2) автономность эксплуатации без особых требований к обстановкам окружающей среды;

3) гибкость архитектуры, которая обеспечивает ее адаптивность к различным использованиям в сфере управления, науки, образования, в быту;

4) «дружественность» операционной системы и иного программного обеспечения, определяющая вероятность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;

5) большая надежность в работе.

Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно - управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. Процессор в определённой последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их,он выполняет все операции, связанные с управлением периферийных устройств и обработки данных. Большинство современных процессоров реализованы как один полупроводниковый чип, содержащий миллионы, а в последнее время даже миллиарды транзисторов.

В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным.Характеристика процессоров, используемых в современных ПК типа IBMPC, процессоры для этих ПК выпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма Intel. Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессоров Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базового варианта процессора. Но следует отметить, что последние модели процессоров Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его. Существуют различные применения микропроцессоров. Наиболее важными из них являются: автоматизация электрооборудования, управления производством, физического и математического моделирования, обработки экспериментальных результатов, устройств управления и искусственных органов в медицине, безопасности. Процессоры имеют возможность снижения энергопотребления в нерабочем режиме (аналогичные средства появились в процессорах Pentium начиная только со 2-го поколения).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Акулов О. А., Медведьев Н. В. Информатика: базовый курс. М.: Омега-Л, 2011.
2.  Воройский Ф. С. Информатика. Энциклопедия словарь справочник: введение в современные информационные и телекоммуникационные технологии в терминах и фактах. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. – 768 с.
3. 2. Гридина Е. А. Современный русский язык. Словообразование: теория, алгоритмы анализа, тренинг. Учебное пособие/ Т. А. Гридина, Н. И. Коновалова. – 2-е изд. – М.: Наука: Флинта, 2012. – 160 с.
4. Дорот В. А., Новиков Ф. Н. Толковый словарь современной компьютерной лексики. 2-е изд. СПб.: BHV, 2011.
5. Информатика: Учебник. Под ред. Макаровой Н. В. М.: Финансы и статистика, 2013.
6. Лесничая И.Г. Информатика и информационные технологии. Учебное пособие. М.: Издательство Эксмо, 2012
7. Макарова Н.В., Николайчук Г.С., Титова Ю.Ф. Компьютерное делопроизводство. - СПб.: Издательский дом «Питер», 2012.
8. Под ред. Косарева В.П., Королева Ю.М. Экономическая информатика и вычислительная техника. - М.: Перспектива, 2011. - 99с.
9. Под ред. проф. Шуремова Е.Л., доц. Тимаковой Н.А., доц. Мамонтовой Е.А. Практикум по экономической информатике. - М.: Перспектива, 2011.
10. Попов В.Б. Основы компьютерных технологий. М. : Финансы и статистика, 2012.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Структурная схема микропроцессора