Процессор персонального компьютера (Назначение и характеристики процессора)

Содержание:

Введение

Процессор персонального компьютера, центральный процессор(ЦП) или центральное процессорное устройство(ЦПУ) - элемент компьютера, исполняющий обработку и преобразования информации, а также управление всеми устройствами и системами с помощью машинных кодов.

История появления процессора персонального компьютера началась в середине ХХ века, первые процессоры 50-х годов работали на основе механического реле, позже на основе электронных ламп, а затем - транзисторов. Вначале компоненты процессора были дорогими и занимали много места, а также их было необходимо соединять в единую микросхему.

В 1969 году у компании Intel появилась идея соединить несколько микросхем в одну, так в 1971 году компания создала первый микропроцессор. Процессоры для персонального компьютера выпускались множеством компаний, которые вносили новые технологии в свои устройства, однако лишь немногие смогли выйти на мировой рынок. Основные компании конкуренты Intel и AMD(рис.1), занимают ведущие места на современном рынке персональных компьютеров.

Рисунок 1

В своей курсовой работе я ставлю цель рассмотреть и описать назначение, основные функции, классификацию и структуру процессора персонального компьютера.

Глава 1.Процессор персонального компьютера

Центральный процессор(ЦП) от англ. CPU(central processing unit) - состоит из арифметико-логического и управляющего устройств, регистров памяти, система прерываний, устройство управления общей шиной. ЦП обрабатывает данные и осуществляет программное управление процессом. Иногда называется микропроцессором и выполняется как большая интегральная схема. Подробнее структуру процессора рассмотрим в третьей главе.

Микропроцессор (рис.2)- прямоугольная тонкая кристаллическая кремневая пластинка, площадью всего несколько миллиметров, содержащая схемы обеспечивающие функциональность процессора персонального компьютера и для подключения к другим устройствам компьютера множество электрических выводов.

Рисунок 2

Современные процессоры старше 4 поколения имеют микропроцессор на основе СБИС, содержащей миллионы элементов. В наше время процессоры используются не только в компьютерах, а также в часах, телефонах, детских игрушках, калькуляторах и автомобилях.

1.1.Назначение процессора

Центральный процессор отвечает за реализацию вычислительного процесса.

В 1946 году Джон фон Нейман изобрел архитектуру компьютера - циклический последовательный процесс обрабатывающий данные.

Поэтапное выполнение цикла:

1 этап.

Выставление числа, хранящегося в регистре счетчика команд, на шину адреса, и отдает команду памяти для чтения;

2 этап.

Выставленное число - адрес памяти; получив адрес и команду чтения, память выставляет содержимое адреса на шину, сообщает о готовности;

3 этап.

Процессор интерпретирует число, полученное с шины адреса, как инструкцию из системы команд и исполняет ее;

4 этап.

Число, хранящееся на счетчике команд, увеличивается на единицу процессором и образуется адрес следующей команды;

5 этап.

Повторение 1 этапа.

Этот цикл называется процессом и повторяется неизменно, именно поэтому устройство называется процессором.

Джон фон Нейман также сформулировал принципы построения большинства компьютеров:

1.Принцип адресности - основная память состоит из пронумерованных ячеек.

2.Принцип программного управления - программа, состоящая из набора команд, выполняющихся процессором в определенной последовательности автоматически друг за другом.

3.Принцип однородности памяти - программы и иные команды хранятся в одной памяти, над ними могут выполняться одни и те же действия.

Основными характеристиками являются:

Тактовая частота.

Измеряется в Мегагерцах(МГц) до тысячи мегагерц , а свыше в Гигагерцах(ГГц), указывает на количество операций выполняемых процессором за одну секунду. Характерные тактовые частоты 600 МГц, 800 МГц и 1000 МГц. Современные процессоры работают с тактовой частотой в 1 ГГц, 1.2ГГц, 1.3ГГц до 3 ГГц.

Кэш процессора.

Встроенная оперативна память, разделенная на несколько уровней.

Для универсальных процессоров до 3. Кэш-память уровня N меньше по размеру, быстрее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N+1.

Сокет.

Разъем расположенный на материнской плате, предназначенный для подключения центрального процессора. Для разных процессоров требуются разные разъемы, обозначенные определенной маркировкой.

Разрядность процессора - число бит(длина двоичного кода), которые одновременно хранятся, обрабатываются или подаются в другое устройство. Современные процессоры чаще всего имеют разрядность 32 бита, наибольшая разрядность - 64 бита.

Команды центрального процессора выполняются неизбежно и непрерывно, без проверки, чтобы выполнялись только допустимые действия, команды организованы в виде программ. Скорость перехода между этапами цикла определяется тактовым генератором, который вырабатывает определенные импульсы задающие ритм процессора.

С целью повышения быстродействия центрального процессора была введена конвейерная архитектура(pipelining). Команды осуществляются с помощью однотипных операций, каждая операция сопоставляется одной ступени конвейера.

Например, конвейер архитектуры MIPS-1, состоит из 4 ступеней:

- получение и декодирование

- адресация и выборка из ОЗУ

- выполнение арифметических операций

- сохранение результата.

Работа над командами идет непрерывно после освобождения n-ой ступени конвейера. Если процессор имеет больше 30 ступеней в конвейере, может приводить к долгому простою, но увеличивает производительность процессора.

Существуют факторы, которые снижают эффективность конвейера:

- простой конвейера, когда некоторые ступени не используются;

- при попадании команды перехода, происходит очистка конвейера;

- ожидание, при использовании выполняемой команды результатов предыдущей.

Процессор Intel 4004 4-разрядный стал первым общедоступным. Его сменяли более поздние модели 8, 16, 24-разрядные с использованием памяти до 16 МБ. В 1985 году появился процессор Intel 80386 с оперативной памятью до 4 ГБ, 32-битной адресацией, поддержкой виртуальной памяти и лучше защищенный. Также развивались процессоры со стековой вычислительной моделью.

1.2.Функции процессора

Основными функциями центрального процессора являются:

- обработка по заданной программе данных;

- программное управление устройствам ПК

- выборка выполняемых команд;

- ввод данных из памяти или УВВ;

- вывод (запись) данных в память или УВВ;

- обработка данных, в том числе арифметические операции;

- адресация памяти, т. е. задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;

- обработка прерываний и режима прямого доступа к памяти.

Глава 2. Классификация процессоров персонального компьютера.

Процессоры по количеству интегральных схем подразделяются на:

1)однокристальные - сверхбольшая или большая интегральная схема, получается реализацией всех аппаратных средств, однако их возможности ограничены ресурсами и корпусом.

2)многокристальные - большая интегральная схема, логическая структура которой, разбита на части. Отдельные части могут выполнять свои функции автономно

3)многокристальные секционные - секции, большой интегральной схемы, разбитой вертикальными плоскостями, в которые добавлены средства "стыковки".

Также процессоры классифицируются:

2.1. По характеру временной организации работы

Первый вид: синхронные - устройством управления задается начало и конец операции.

Второй вид: асинхронные - по окончании выполнения предыдущей операции начинается выполнение следующей.

2.2. По назначению

Процессоры бывают:

- универсальными - применяются в широком спектре решения разнообразных задач, при проблемной ориентации выполнения заданных функций резко и эффективно повышает производительность;

- специализированные - направленные на решение определенных последовательностей сложных логических операций, позволяют решать сложные новые задачи параллельной обработки.

2.3. По количеству выполняемых программ

Процессоры разделяются на однопрограммные(осуществляют лишь одну программу, запуск следующей после завершения другой программы) и мультипрограммные(возможно выполнение множества программ единовременно).

Процессоры бывают разных типов, рассмотрим несколько из них.

CISC (complex instruction set computer) - вычисления путем выполнения набора сложных команд, к ним относится семейство процессоров Intel x86/

MISC (minimum instruction set computer) - вычисление выполняется минимальным набором команд.

RISC (reduced instruction set computer) - вычисления выполняются сокращенным набором команд.

VLIW(Very long instruction word)  — архитектура процессоров с параллельными вычислениями. Отличается от CISC-процессоров тем, что загрузкой исполнительных устройств занимается часть процессора, на что отводится достаточно малое время, а в это время  компилятор занимается, загрузкой вычислительных устройств для VLIW-процессора, на что сокращает время.

Глава 3. Структура процессора

Схематически структура простейшего процессора отображена на рис.3.

Процессор состоит из следующих структурных элементов:

АЛУ - арифметико-логическое устройство, выполняет арифметические и логические операции над данными и адресами памяти;

Регистры - оперативная память, которая работает со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;

Устройство управления(УУ) - управляет работой всех узлов, вырабатывает и передает другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от тактового генератора, который при включении ПК вибрирует с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц) и задает темп работы системной платы;

Система прерываний - специальный регистр, который описывает состояние процессора и позволяет прерывать работу в нужный момент для немедленной обработки поступившего запроса, или постановки его в очередь, после этого обеспечивает восстановление прерванного процесса;

Устройство управления общей шиной — интерфейсная система, системный интерфейс, который обеспечивает связь процессора с системными блоками компьютера и внешними устройствами . 

Блок регистров общего назначения - позволяет выполнять операции с предельно высокой скоростью.

Рисунок 3

Блоки  сверхоперативной памяти - кэш 1-го уровня для хранения команд и данных, позволяет уменьшить количество обращений к ОЗУ компьютера для чтения последовательности команд и данных.

Блоки интерфейса с памятью компьютера - обеспечивают  связи с или блоком быстрой памяти или внешним ОЗУ, устанавливаемым между процессором и оперативной памятью.

Заключение

Данная курсовая помогла изучить процессор персонального компьютера, его назначение и функции, помогла ознакомиться со структурой ЦП и узнать, как развивались процессоры с самого начала.

Первая глава содержит назначение и характеристики процессора, ознакомив с ними ближе и облегчив дальнейшее обучение. Информация показывает, что лидирующими в производстве процессоров являются компании Intel и AMD.

Вторая глава помогла изучить классификацию и типы процессоров, что дало хорошее представление об их работе и возможностях.

Третья глава содержит информацию о структуре ЦП, что дает нам возможность понять, как выглядит процессор, так сказать изнутри, и какие структурные части отвечают за определенные функции.

По окончании исследования мы можем сделать выводы, что персональный компьютер и в частности процессор ПК, является сложной системой, и претерпело множество реконструкций. История создания процессора долгая и разнообразная, она не останавливается и быстрыми темпами развивается дальше. Мы можем с уверенностью сказать, что в будущие годы процессор станет более мощным и производительным.

Список литературы

1. Дорот В.А, Новиков Ф.Н. Толковый словарь современной компьютерной лексики. 2-е издание. СПб: ВНV, 2001.

2.Под ред. проф. Шуремова Е.Л., доц. Тимаковой Н.А., доц. Мамонтовой Е.А. Практикум по экономической информатике. - М.: Перспектива, 2000.

3. Леонтьев В.П. ПК: универсальный справочник пользователя Москва 2000.

4. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя, изд.5-е С.-Перетбург, АО «Коруна» 1994..

5. Рассел Борланд. Running Word 6.0 для Windows (Русская редакция). -М.: ТОО Channel Trading Ltd., 1995.

6. Модернизация и ремонт ПК, Скотт Мюллер, Изд.дом Вильямс, Москва, Санкт-Петербург, Киев, 2005г,ИД "Вильямс"

7. Макарова, Информатика. Практикум по технологии работы на компьютере.- Под редакцией/ Макаровой,-Изд. 3-е, 2005.

8. Соболь Б. В. Информатика : учебник / Б. В. Соболь и др.-Изд. 3-е, допол. и перераб. – Ростов н/Д: Феникс, 2007.

9. Мураховский В.И. ИвсеевГ.А. Железо персонального компьютера: Практическое руководство/ М.: ДЕСС КОМ, 2001.

10. Козлова Ирина. Информатика: конспект лекций. 2007

11. Процессор: Джесси Рассел — Санкт-Петербург, Книга по Требованию, 2012 г.- 98 с.

12. Аппаратные средства PC: Олег Колесниченко, Игорь Шишигин, Валентин Соломенчук — Москва, БХВ-Петербург, 2010 г.- 800 с.