Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Требования по теплоотводу)

Содержание:

Введение

Процессор - это ключевая часть персонального компьютера, он играет роль «мозга» системы компьютера, который может выполнять огромное количество задач. Процессоры имею множество характеристик как, архитектура, частота, количество ядер, кэш процессора техпроцесс, TDP и прочие, важно разбирать в них для повышения производительности компьютера. Актуальность темы курсовой работы заключается в том, что для IT-специалистов важна производительность и скорость работы персонального компьютера.

Объектом курсовой работы является - процессор персонального компьютера.

Целью курсовой работы является изучение ключевой части персонального компьютера с целью повышения его производительности в зависимости от задач выполняемых на нем.

Задачи:

- дать определение;

- изучить назначение процессора;

- определить основные функции

- дать классификацию;

- проанализировать основные характеристики.

В курсовой работе рассмотрим назначение, основные функции процессора, его основные особенности, а структуру и функционирование микропроцессоров. Разберёмся в основных понятиях и терминах процессоров.

1 Понятие, назначение, функции процессора

Процессор – это ключевая часть аппаратной системы компьютера, выполняющая логические и вычислительные задачи. От его показателей во многом будет зависеть мощность машины, показатели многозадачности, скорости выполнения поставленных пользователем требований^[1].

В зависимости от технических характеристик, торговой марки и типа строения можно выделить несколько разновидностей процессоров.
Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Персональный компьютер - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. Достоинствами ПК являются:

1)         малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

2)         автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

3)         гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

4)         «дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки.

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

Английское название процессора - CPU (Central Processing Unit).

Процессор представляет собой специально выращенный полупроводниковый кристалл, на котором располагаются транзисторы, соединенные напыленными алюминиевыми проводниками. Кристалл помещается в керамический корпус с контактами.

В первом процессоре компании Intel - i4004, выпущенном в 1971 году, на одном кристалле было 2300 транзисторов, а в процессоре Intel Pentium 4, выпущенном 14 апреля 2003 года, их уже 55 миллионов.

Современные процессоры изготавливаются по 0,13-микронной технологии, т.е. толщина кристалла процессора составляет 0,13 микрон. Для сравнения - толщина кристалла первого процессора Intel была 10 микрон.

Микропроцессор является практически законченной системой управления. Он имеет сложную архитектуру и представляет собой сверхбольшую интегральную схему, выполненную, как правило, на одном полупроводниковом кристалле. Различные типы микропроцессоров отличаются типом и размером памяти, набором команд, скоростью обработки данных, количеством входных и выходных линий, разрядностью данных. В самом общем виде структурная схема микропроцессора может иметь следующий вид (рисунок 1):

Рисунок 1 - Структурная схема микропроцессора

Центральный процессор (CPU) является обязательным узлом любого микропроцессорного устройства, его ядром. В его состав входит: арифметико-логическое устройство (АЛУ); регистр-аккумулятор; логические устройства управления и синхронизации; внутренняя шина.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические или логические операции над данными, представленными в двоичном или двоично-десятичном коде. Результат выполнения операции сохраняется в так называемом регистре-аккумуляторе. Регистр-аккумулятор представляет собой ячейки оперативной памяти, но, в отличие от ОЗУ, обмен информацией производится более короткими командами, т.е. регистр-аккумулятор является наиболее быстродействующим устройством памяти микропроцессора.

Устройство управления и синхронизации применяется для управления другими узлами микропроцессора, обеспечивая 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 входит тактовый генератор и формирователь тактовых импульсов. Для генерации импульсов синхронизации используется кварцевый генератор, имеющий внешний кварцевый резонатор. Частота тактового генератора определяет быстродействие микропроцессора.

Связь между различными элементами микропроцессора осуществляется с помощью внутренней шины. Шина - это группа проводников, используемых в качестве линии связи для передачи цифровой информации. В микропроцессоре имеется три основных вида шин: это шина данных, адресная шина и шина управления.

Шина данных обеспечивает передачу данных между узлами процессора. Адресная шина используется для передачи адреса ячейки памяти с целью получить данные из постоянного запоминающего устройства или оперативного запоминающего устройства. Шина управления используется для передачи управляющих сигналов от микропроцессора к другим элементам системы.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) используется для хранения постоянной информации, которая вводится в него на этапе производства микропроцессора и не может быть изменена. Это значит, что записанные на заводе-изготовителе данные сохраняются неизменными при выключении питания микропроцессора. ПЗУ расположено на кристалле микропроцессора и состоит из большого количества ячеек. Каждая ячейка памяти имеет свой порядковый номер, называемый адресом. В этих ячейках хранятся коды команд - это и есть управляющая программа, исполняемая микропроцессором во время его работы. Информация вводится в ПЗУ на этапе изготовления микропроцессора, а процедура введения этой информации называется масочным программированием.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для временного хранения промежуточных данных. Микропроцессор в процессе работы может изменять эти данные. При выключении питания информация, хранимая временно в ОЗУ, не сохраняется.

Устройство ввода/вывода (интерфейс ввода/вывода) обеспечивает связь с периферийными устройствами - микросхемами, клавиатурой и др. Подключение к внешним устройствам производится через специальные устройства, называемые портами. Они выполнены в виде набора двунаправленных линий. На структурной схеме показан параллельный 8-разрядный порт (выводы 0...7), который можно конфигурировать различным образом. Последовательный порт можно реализовать, используя две линии параллельного порта - одну для передачи, другую для приема необходимых данных. Количество портов может быть любое и зависит от выполняемых микропроцессором задач.

Таким образом, процессор представляет собой сложным образом организованную структуру, каждый элемент которой выполняет определенную функцию.

Классификация процессоров

CISC-процессор.Complex Instruction Set Computer - вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

RISC-процессор. Reduced Instruction Set Computer - вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

MISC-процессоры. Minimum Instruction Set Computer - вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, 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 (на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Двухъядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухъядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из двух физических ядер, каждое из которых в свою очередь разделено на два логических ядра, что существенно влияет на скорость его работы.

Нативные (в виде одного кристалла) четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona.

100-ядерный процессор широкого назначения серии TILE-Gx. Каждое процессорное ядро представляет собой отдельный процессор с кэшем 1, 2 и 3 уровней. Ядра, память и системная шина связаны посредством технологии Mesh Network. Процессоры производятся по 40-нм нормам техпроцесса и работают на тактовой частоте 1,5 ГГц. Выпуск 100-ядерных процессоров назначен на начало 2011 года.

На данный момент массово доступны двух-, четырёх- и шестиядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65-нм ядре Conroe (позднее на 45-нм ядре Wolfdale) и Athlon 64 X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший объём кэша и рабочие частоты.

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырехъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхъядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.

Четырёхъядерные процессоры. Intel - семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными отличаями данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объём кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом, AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстаёт от Intel Core i7. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно, чем у предшественника.

3 Характеристики процессора

3.1 Архитектура

Архитектура процессора – количественная составляющая компонентов микроархитектуры вычислительной машины (процессора компьютера).

Для IT-специалиста важно:

• совместимость с определённым набором команд (например, процессоры, совместимые с командами Intel x86), их структуры (например, систем адресации или организации регистровой памяти) и способа исполнения (например, счётчик команд).
• аппаратной составляющей вычислительной системы - это набор свойств и качеств, присущий целому семейству процессоров (иначе говоря - «внутренняя конструкция», «организация» этих процессоров).

Имеются различные классификации архитектур процессоров:

- по организации (например, по количеству и сложности отдельных команд: RISC, CISC, MISC;

- по возможности доступа команд к памяти, так и по назначению (например, специализированные графические, математические или предназначенные для цифровой обработки сигналов^[2]).

RISC (Reduced Instruction Set Computing). Процессор с сокращенным набором команд. Система команд имеет упрощенный вид. Все команды одинакового формата с простой кодировкой. Обращение к памяти происходит посредством команд загрузки и записи, остальные команды типа регистр-регистр. Команда, поступающая в CPU, уже разделена по полям и не требует дополнительной дешифрации.

Часть кристалла освобождается для включения дополнительных компонентов. Степень интеграции ниже, чем в предыдущем архитектурном варианте, поэтому при высоком быстродействии допускается более низкая тактовая частота. Команда меньше загромождает ОЗУ, CPU дешевле. Программной совместимостью указанные архитектуры не обладают. Отладка программ на RISC более сложна. Данная технология может быть реализована программно-совместимым с технологией CISC (например, суперскалярная технология).

Поскольку RISC-инструкции просты, для их выполнения нужно меньше логических элементов, что в конечном итоге снижает стоимость процессора. Но большая часть программного обеспечения сегодня написана и откомпилирована специально для CISC-процессоров фирмы Intel. Для использования архитектуры RISC нынешние программы должны быть перекомпилированы, а иногда и переписаны заново.

CISC (англ. Complex Instruction Set Computing) — концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

· большим числом различных по формату и длине команд;

· введением большого числа различных режимов адресации;

· обладает сложной кодировкой инструкции.

Процессору с архитектурой CISC приходится иметь дело с более сложными инструкциями неодинаковой длины. Выполнение одиночной CISC-инструкции может происходить быстрее, однако обрабатывать несколько таких инструкций параллельно сложнее.

Облегчение отладки программ на ассемблере влечет за собой загромождение узлами микропроцессорного блока. Для повышения быстродействия следует увеличить тактовую частоту и степень интеграции, что вызывает необходимость совершенствования технологии и, как следствие, более дорогого производства.

MISC (Multipurpose lnstruction Set Computer). Элементная база состоит из двух частей, которые либо выполнены в отдельных корпусах, либо объединены. Основная часть – RISC CPU, расширяемый подключением второй части – ПЗУ микропрограммного управления. Система приобретает свойства CISC. Основные команды работают на RISC CPU, а команды расширения преобразуются в адрес микропрограммы. RISC CPU выполняет все команды за один такт, а вторая часть эквивалентна CPU со сложным набором команд. Наличие ПЗУ устраняет недостаток RISC, выраженный в том, что при компиляции с языка высокого уровня микрокод генерируется из библиотеки стандартных функций, занимающей много места в ОЗУ. Поскольку микропрограмма уже дешифрована и открыта для программиста, то времени выборки из ОЗУ на дешифрацию не требуется.

Существуют различные архитектуры процессоров. Поскольку большинство программ определено под определённую архитектуру – 64Bit или 32Bit. Такие программы поддерживают определённую архитектуру процессора.

Процессор, имеющий 32-битную архитектуру, может обрабатывать 32 бита информации за один цикл. Аналогично и с 64-битными процессорами.

Кроме того, количество поддерживаемой оперативной памяти (RAM) так же зависит от архитектуры процессора.

Процессорам с 16-разрядной архитектурой доступны 64 КБ оперативной памяти. 32-битному процессору доступны 4 ГБ памяти (существуют серверные версии Windows с возможностью использования большего количества памяти). А для 64-битного процессора это 16 эксабайт.

Рисунок 3.1 Архитектура процессора IA-32

3.2 Ядра

Ядра это обрабатывающие ячейки процессора. Они получают инструкции и действуют на их основе. В упрощённом понимании, чем больше у вас ядер, тем лучше скорость обработки. Большое количество ядер, однозначно, увеличивает скорость обработки, но одновременно потребуется больше энергии, а также процессор будет существенно сильнее нагреваться.

Рисунок 3.2 Ядро процессора

3.3 Литография

Литография процессора или техпроцесс, по которому изготовлен кристалл, связаны с размерами используемых транзисторов.

Литография в микроэлектронике – это совокупность фотохимических процессов, создающая на поверхности материала защитный слой требуемой конфигурации и стойкости к агрессивным воздействиям и последующей операции селективного травления или осаждения, использующих этот защитный рельеф. В большинстве случаев литография проводится по какому-либо технологическому слою, нанесенному на поверхность полупроводниковой пластины^[3].

Обычно техпроцесс измеряется в нанометрах, и чем меньше число, тем компактнее и энергоэффективнее процессор. Современная высокотехнологичная литография позволяет увеличить количество ядер в одном слоте и снизить потребление энергии.

Средний показатель литографии актуальных процессоров колеблется в пределах 14-32 нм.

3.4 Тактовая частота

Тактовая частота процессора - это количество операций, которые он выполняет за секунду. Эта величина измеряется в герцах.

Этот показатель определяет скорость работы процессора и, следовательно, его производительность. Типичные значения тактовой частоты для некоторых процессоров приведены в таблице на рисунке 4.3 . Следует сказать, что увеличение порядкового номера процессора свидетельствует о росте его характеристик и, следовательно, об улучшении параметров компьютера в целом. 

Три гигагерца - это три миллиарда операций. Надо понимать, что если процессор многоядерный, это не означает, что каждое ядро обладает частотой 3 ГГц. Весь процессор обладает частотой 3 ГГц., а не ядра по отдельно...ГГц это аббревиатура от слова Гигагерц. Приставка «гига» означает «миллиард», а герцы – это стандартная единица измерения частоты в микроэлектронике, в аббревиатуре ГГЦ обозначающая «цикл в секунду». Таким образом, процессор с частотой 2 ГГц может выполнять 2 миллиарда циклов за одну секунду.

Этот термин иногда заменяют аналогичным «частота» или «тактовая частота» вашего процессора. Чем выше число, тем лучше выбранный процессор.

Рисунок 3.3 Тактовые частоты для некоторых процессоров 

3.5 Требования по теплоотводу

Требования по теплоотводу или Thermal Design Power (TDP) - это показатель, который представляет собой мощность в ваттах, которую рассеивает процессор во время загрузки всех ядер и базовой частоте. Чем ниже этот показатель, тем лучше для процессора. Более низкий TDP позволяет разгонять процессор до более высоких частот, и означает, что выделяется меньше тепла для рассеивания.

Стандартные десктопные процессоры обычно потребляют больше энергии и имеют TDP в районе 40 Вт и выше, в то время как их мобильные аналоги в 3 раза меньше энергии и почти на столько же холоднее.

3.6 Кэш процессора

Кэш микропроцессора – это блок внутри процессора, небольшого размера, который хранит немного памяти. Каждый раз, когда нужно выполнить какую-то задачу поток данных должен перейти из ОЗУ в процессор. Процессор работает гораздо быстрее, чем оперативная память, поэтому большую часть времени процессор находится в режиме ожидания и ждёт данные из ОЗУ. Чтобы этот процесс выполнялся эффективно, ОЗУ постоянно пересылает данные в кэш процессора.

В обыкновенных десктопных процессорах среднего класса в вашем распоряжении порядка 2-3 Мб кэша. В процессорах high-end уровня и специализированных решениях для «тяжёлых» задач – от 6 Мб и выше.

3.8 Поддержка оперативной памяти

Оперативная память – она же RAM (Random Access Memory), ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) – энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.

Максимальное количество поддерживаемой памяти как правило оговорено производителем в характеристиках процессора. В них так же содержится информация о поддерживаемой версии DDR.

3.7 Мультипоточность

Мультипоточность или гиперпоточность (Hyper-Threading) – это технологи, которая обеспечивает эффективное использование ресурсов и увеличивает пропускную способность процессора

Когда добавление ядер не может оставаться лучшим решением для удовлетворения потребности в ускоренной обработке, был изобретена технология Hyper-Threading – виртуальные ядра процессора, позволяющие воплотить идею мультипоточности.

В итоге, когда мы говорим о двухъядерном процессоре с технологией Hyper-Threading это значит, что он имеет 2 физических ядра и 2 виртуальных ядра. Таким образом, технически вы получаете четырехъядерный процессор в корпусе двухъядерного процессора.

Заключение

Таким образом в курсовой работе изучен процессор персонального компьютера с целью повышения его производительности в зависимости от задач выполняемых на нем.

В работе дано понятие процессора, его назначение, определены основные функции. Дана классификация, проанализированы основные характеристики.

В курсовой работе рассмотрим назначение, основные функции процессора, его основные особенности, а структуру и функционирование микропроцессоров. Разберёмся в основных понятиях и терминах процессоров.

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Таким образом, цель и задачи курсовой работы достигнуты.

Список литературы

1. Богумирский В.С. Руководство пользователя ПК. В 2-х ч. - СПб: Ассоциация OILCO, 1992. – 88 c.
2. Коноплева, И.А. Информационные технологии. / И.А. Коноплева, О.А. Хохлова, А.В. Денисов. - М.: Проспект, 2015. - 328 c.
3. Королев М.А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем : в 2 ч. /М.А.Королев, Т.Ю. Крупкина, М.А. Ревелева; под общей ред. Ю.А. Чаплыгина. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.
4. Королева Ю.М. Экономическая информатика и вычислительная техника. - М.: Перспектива, 2000. - 99с.
5. Макарова Н.В., Николайчук Г.С., Титова Ю.Ф. Компьютерное делопроизводство. - СПб.: Издательский дом «Питер», 2002.
6. Назаров П.М. Компьютерные технологии обработки информации. - М.: Финансы и статистика, 1995.
7. Пасько В.П. Word 6.0 для Windows (русифицированная версия). - Киев: BHV, 1995.
8. Практикум по экономической информатике. Под ред. проф. Шуремова Е.Л., доц. Тимаковой Н.А., доц. Мамонтовой Е.А. - М.: Перспектива, 2000.
9. Рассел Борланд. Running Word 6.0 для Windows (Русская редакция). -М.: ТОО Channel Trading Ltd., 1995. – 213 c.
10. Советов, Б.Я. Информационные технологии: учебник для прикладного бакалавриата / Б.Я. Советов, В.В. Цехановский. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 263 c.
11. Федотова, Е.Л. Информационные технологии и системы: Учебное пособие / Е.Л. Федотова. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 352 c.
12. Федулин, А.А. Информационные технологии (для бакалавров) / А.А. Федулин. - М.: КноРус, 2014. - 472 c.
13. Хлебников, А.А. Информационные технологии: Учебник / А.А. Хлебников. - М.: КноРус, 2014. - 472 c.
14. https://elhow.ru/kompjutery/komplektujucshie/processory-cpu

 http://storage.piter.com/upload/contents/978549601145/978549601145_p.pdf

1. https://elhow.ru/kompjutery/komplektujucshie/processory-cpu (дата обращения: 15.10.2019)

   ↑

2.  http://storage.piter.com/upload/contents/978549601145/978549601145_p.pdf ↑

3. Королев М.А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем : в 2 ч. /М.А.Королев, Т.Ю. Крупкина, М.А. Ревелева; под общей ред. Ю.А. Чаплыгина. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. ↑