Микропроцессоры реферат по информатике

Обновлено: 05.07.2024

Инструкции процессора предназначены для обработки, пересылки и анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительные процессоры. В компьютер и обязательно должен присутствовать центральный процессор (CPU – Central Processing Unit), который исполняет основную программу.

История создания процессора

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью было низкое быстродействие, низкая надёжность, и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на платы, близкие к современным по виду, устанавливаемые в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Повысилась надёжность, Возросло быстродействие, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники. Сначала это были элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры. Позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах.

Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по быстродействию, надёжности или защите от ионизирующей радиации и электромагнитных импульсов. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также стали изготавливаться в формате микропроцессора.

Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё, по крайней мере, 10—15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев.

Переход к микропроцессорам позволил в последствие создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.

Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.

Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную.

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

Структура центрального процессора

Функционально центральный процессор можно разделить на две части:

Операционная часть. Содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) - регистры общего назначения.

Интерфейсная часть. Содержит адресные регистры, устройство управления, регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и портами.

Обе части ЦП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) происходит во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Такая организация ЦП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Получив данные и команду, выполняет указанную операцию и записывает результат в один из свободных регистров.

Устройство управления (УУ) вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций в другие блоки вычислительной машины. УУ формирует управляющие сигналы для выполнения команд центрального процессора.

Системная шина – набор проводников, по которым передаются сигналы, соединяющая процессор с другими компонентами на системной плате. Системная шина состоит из шины данных, шины адреса, шины управления.

Шина адреса – используется для передачи сигналов, при помощи которых определяется местоположение ячейки памяти для выполняемых процессором операций ввода-вывода и чтения/записи

Шина данных – служит для пересылки данных между процессором и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ)

Шина управления – используется для пересылки управляющих сигналов. Каждая линия этой шины имеет своё особое назначение, поэтому они могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными

Модели процессора

Сложилось так, что процессорный рынок уверенно завоевали две компании: Intel и AMD. Именно эти две компании остро соперничают между собой и ведут постоянную борьбу за клиента, перехватывая время от времени инициативу друг у друга. Ниже представлены обозначения моделей процессоров этих фирм:

Характеристики процессора

Наиболее важным параметром процессора является его частота. Тактовая частота процессора на сегодняшний день измеряется в гигагерцах (ГГц), ранее измерялась в мегагерцах (МГц).

Частота на которой работает процессор компьютера определяется произведением частоты шины на некоторый множитель, который, как правило, нельзя изменять. Этот множитель задается автоматически, в зависимости от материнской платы. Однако, системные платы, которые позволяют делать "разгон" компьютера, разрешают делать изменение множителя, тем самым увеличивая скорость работы процессора в ущерб его надежности и долговечности работы.

Разные модели процессоров для своей нормальной работы требуют разные напряжения питания, которые можно увеличивать при разгоне компьютера.

Степпинг - модификации одного и того же ядра процессора, которые производятся с целью улучшения рабочих характеристик процессора.

На производительность (мощность) процессора влияют не только его тактовая частота и разрядность шины данных. Важное значение также имеет и объем кэш-памяти.

Кэш-память

Цифровые технологии таковы, что скорость работы процессора в несколько раз превышает скорость работы памяти. Поскольку процессор и память всегда работают в паре, то, фактически скорость работы компьютера определяется скоростью работы памяти. Получается, что процессор бо́льшую часть времени простаивает без дела в ожидании пока память обработает очередную порцию данных. Чтобы разрешить данную ситуацию придумали кэш-память, которая встраивается непосредственно в микросхему процессора и работает на скоростях соизмеримыми со скоростью работы процессора.

Кэш-память является одним из наиболее дорогих компонентов процессора - ее стоимость составляет половину его стоимости, но она позволяет значительно поднять производительность системы процессор-память, в результате чего значительно возрастает общая скорость работы компьютера.

Кэш-память процессора изготавливают в виде микросхем статической памяти (англ. Static Random Access Memory, сокращенно - SRAM). По сравнению с другими типами памяти, статическая память обладает очень высокой скоростью работы.

Из-за своей дороговизны размер кэш-памяти относительно небольшой, но этого оказывается вполне достаточно, так как в кэш-память помещаются только наиболее часто используемые в данный момент данные.

В большинстве процессоров используется трехуровневая система кэша:- L1 (кэш-память первого уровня), L2 (кэш-память второго уровня) и L3 (кэш-память третьего уровня).

Кэш-память первого уровня или L1 (от англ. Level - уровень) – очень маленькая, но самая быстрая и наиболее важная микросхема памяти. Ни в одном процессоре ее объем не превышает нескольких десятков килобайт. Работает она без каких-либо задержек. В ней содержатся данные, которые чаще всего используются процессором. Количество микросхем памяти L1 в процессоре, как правило, равно количеству его ядер. Каждое ядро имеет доступ только к своей микросхеме L1.

Кэш-память второго уровня (L2) немного медленнее кэш-памяти L1, но и объем ее более существенный (несколько сотен килобайт). Служит она для временного хранения важной информации, вероятность запроса которой ниже, чем у информации, находящейся в L1.

Кэш-память третьего уровня (L3) – еще более объемная, но и более медленная схема памяти. Тем не менее, она значительно быстрее оперативной памяти. Ее размер может достигать нескольких десятков мегабайт. В отличие от L1 и L2, она является общей для всех ядер процессора.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение города Калининграда средняя образовательная школа №25 с углубленным изучением отдельных предметов им. И.В. Грачева

Ученик 10Б класса

Содержание Стр.

1 История развития процессоров…………………….………………. 4

2 Алгоритм работы процессора……………………….……………. 10

2.1 Устройство процессора…………………….……………………. 10

2.2 Алгоритм работы процессора. 11

2.3 Прерывание процессора. 12

3 Моделирование работы процессора. 15

Список источников……………. 18

За три десятка лет, прошедших с этого знаменательного дня, процессоры сильно изменились. Современный процессор - это не просто набор транзисторов, а целая система множества важных устройств.

1 История развития процессоров

В настоящее время существуют много фирм по производству процессоров для персональных компьютеров. Это Intel , AMD , Cyrix , VIA , Centaur / IDT , NexGen , и многие другие . Однако наиболее популярными являются Intel и AMD . Развитие процессоров этих ведущих фирм мы и постараемся рассмотреть.

Однако прежде чем углубляться в историю производства процессоров необходимо дать характеристику некоторым техническим терминам характеризующих процессор.

Тактовая частота – это скорость работы процессора, а именно количество операций выполненных на протяжении 1 секунды.

Поколения – поколения процессоров отличаются друг от друга скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом. Если просмотреть поколения процессоров фирмы Intel то их было 8 (8088, 286, 386, 486, Pentium , PentiumII , PentiumIII , PentiumIV ).

Модификация –у ведущих и постоянно конкурирующих фирм Intel и AMD есть две модификации процессоров. У Intel это Pentium и Celeron , у AMD это Athlon и Duron . Pentium и Athlon это дорогие процессоры для графических станций или серверов, а Celeron и Duron это процессоры для домашних компьютеров.

Технология производства – под технологией производства в данном случае понимают размер минимальных элементов процессора. Так в 1999 году фирмы перешли на новую, 0,13 – микронную технологию.

КЭШ-память первого уровня – небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.

КЭШ-память второго уровня – эта память более медленная, но она больше от 128 до 512 кбайт.

Центральный процессор (ЦП; также центра́льное процессорное устройство — ЦПУ; англ. centralprocessingunit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство, часто просто процессор) — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

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.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров), и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных и даже единственных в своём роде компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и мини-компьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, 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.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляло процессор. Отличительными особенностями были низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платы, устанавливавшиеся в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержавшие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, 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, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии, БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач) либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора.

Переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц и стоил 300 долларов.

Затем последовала его модификация, 80186.

В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры, как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

2 Алгоритм работы процессора

2.1 Устройство процессора

Основные функциональные компоненты процессора

Ядро: Сердце современного процессора - исполняющий модуль. Pentium имеет два параллельных целочисленных потока, позволяющих читать, интерпретировать, выполнять и отправлять две инструкции одновременно.

Предсказатель ветвлений: Модуль предсказания ветвлений пытается угадать, какая последовательность будет выполняться каждый раз когда программа содержит условный переход, так чтобы устройства предварительной выборки и декодирования получали бы инструкции готовыми предварительно.

Блок плавающей точки. Третий выполняющий модуль внутри Pentium, выполняющий нецелочисленные вычисления

Первичный кэш: Pentium имеет два внутричиповых кэша по 8kb, по одному для данных и инструкций, которые намного быстрее большего внешнего вторичного кэша.

Шинный интерфейс: принимает смесь кода и данных в CPU, разделяет их до готовности к использованию, и вновь соединяет, отправляя наружу.

Рис. 1 Внутреннее строение процессора

Все элементы процессора синхронизируются с использованием частоты часов, которые определяют скорость выполнения операций. Самые первые процессоры работали на частоте 100kHz, сегодня рядовая частота процессора - 2000MHz, иначе говоря, часики тикают 2000 миллионов раз в секунду, а каждый тик влечет за собой выполнение многих действий. Счетчик Команд (PC) - внутренний указатель, содержащий адрес следующей выполняемой команды. Когда приходит время для ее исполнения, Управляющий Модуль помещает инструкцию из памяти в регистр инструкций (IR). В то же самое время Счетчик команд увеличивается, так чтобы указывать на последующую инструкцию, а процессор выполняет инструкцию в IR. Некоторые инструкции управляют самим Управляющим Модулем, так если инструкция гласит 'перейти на адрес 2749', величина 2749 записывается в Счетчик Команд, чтобы процессор выполнял эту инструкцию следующей.

Многие инструкции задействуют Арифметико-логическое Устройство (АЛУ), работающее совместно с Регистрами Общего Назначения - место для временного хранения, которое может загружать и выгружать данные из памяти. Типичной инструкцией АЛУ может служить добавление содержимого ячейки памяти к регистру общего назначения. АЛУ также устанавливает биты Регистра Состояний (Statusregister - SR) при выполнении инструкций для хранения информации о ее результате. Например, SR имеет биты, указывающие на нулевой результат, переполнение, перенос и так далее. Модуль Управления использует информацию в SR для выполнения условных операций, таких как 'перейти по адресу 7410 если выполнение предыдущей инструкции вызвало переполнение'.

Это почти все что касается самого общего рассказа о процессорах - почти любая операция может быть выполнена последовательностью простых инструкций, подобных описанным.

2.2 Алгоритм работы процессора

Весь алгоритм работы процессора можно описать в трех строчках

| чтение команды из памяти по адресу, записанному в СК

| увеличение СК на длину прочитанной команды

| выполнение прочитанной команды

Однако для полного представления необходимо определить логические схемы выполнения тех или иных команд, вычисления величин, а это уже функции Арифметико-логического Устройства.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)— блок процессора , который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных ) над данными, называемыми в этом случае операндами . Разрядность операндов обычно называют размером или длиной машинного слова .

2.3 Прерывания процессора

При работе процессорной системы могут возникать особые случаи, когда процессор вынужден прерывать работу текущей программы и переходить к обработке этого особого случая, более срочного и важного. Причинами прерывания текущей программы может быть:

внешний сигнал по шине управления - маскируемых прерываний и немаскируемого прерывания;

аномальная ситуация, сложившаяся при выполнении команды программы и препятствующую ее дальнейшему выполнению;

находящаяся в программе команда прерывания.

Первая из указанных выше причин относится к аппаратным прерываниям, а две другие - к программным прерываниям. Отметим, что аппаратные прерывания непредсказуемы и могут возникать в любые моменты времени.

С помощью аппаратных прерываний осуществляется взаимодействие процессора с устройствами ввода-вывода ( клавиатурой, диском, модемом и т.п.), таймером и внутренними часами, сообщается о возникновении ошибки на шине или в памяти, об аварийном выключении сети и т.п. При возникновении аппаратного прерывания процессор выявляет его источник, сохраняет минимальный контекст текущей программы (включая адрес возврата), и переключается на специальную программу -- обработчик прерывания ( interrupthandler) . Эта программа правильно реагирует на возникшую ситуацию (например, помещает символ с клавиатуры в буфер, считывает сектор с диска и т.п.), что называется 1обслуживанием прерывания . После обслуживания прерывания процессор возвращается к прерванной программе, как будто прерываний не было.

Программные прерывания обычно называются особыми случаями , или исключениями (exception) . Особые случаи возникают, например, при делении на ноль, нарушения при защите по привилегиям, превышении длины сегмента, выходе за границу массива. Как правило, предсказать эти исключения невозможно. Однако встречающаяся в программе 1команда прерывания вполне предсказуема и находится под управлением программиста. Реакция процессора на программное прерывание такое же, как и на аппаратное прерывание, однако его обработка производится 1обработчиком особого случая (exceptionhandler).

Все особые случаи квалифицируются на:

Нарушение (fault) . Особый случай, который процессор может обнаружить до возникновения фактической ошибки (например -- нарушение правил привилегий). После обработки нарушения можно продолжить программу, осуществив повторное выполнение ( рестарт ) виноватой команды. Иногда это исключение называют отказом.

Ловушка (trap) . Особый случай, который возникает после окончания виноватой программы. После обслуживания ловушки процессор продолжает выполнение программы с команды, находящейся после виноватой. Типичный пример -- команда прерывания INT n в процессорах семейства x86 или прерывание при переполнении.

Авария (abort) -- возникает при столь серьезной ошибке, что контекст программы теряется и продолжать ее невозможно. Причину аварии установить нельзя, поэтому рестарт невозможен и ее необходимо прекратить. Иногда авария называется выходом из процесса.

Обработка всех прерывания и особых случаев происходит, в общем, одинаково и состоит из двух основных этапов. На первом этапе процессор выполняет некоторые "рефлексивные" операции, которые одинаковы для всех прерываний и исключений, и которыми программист управлять не может. На втором этапе запускается созданный программистом обработчик прерывания или исключения. Все служебные действия процессор производит автоматически.

3 Моделирование работы процессора

Разгон компьютеров - процесс увеличения тактовой частоты (и напряжения) компонента компьютера сверх штатных режимов с целью увеличения скорости его работы. Повышение частоты может достигать максимального значения, при котором сохраняется стабильность работы системы в необходимом для пользователя режиме. При разгоне повышается тепловыделение, энергопотребление, шум, уменьшается рабочий ресурс.

Конечная цель разгона — повышение производительности оборудования. Побочными эффектами могут быть повышение шума и тепловыделения, нестабильности, особенно при условии несоблюдения правил, подразумевающих усиление охлаждающего оборудования, улучшения питания компонентов, тонкой настройки разгона.

Противоположную цель ставит андерклокинг — снизить частоту работы оборудования (и, иногда, необходимого для неё напряжения) и этим достичь снижения тепловыделения, шума, а иногда и нестабильности. Может быть особенно актуальным для тихих помещений, экономии энергии или заряда батареи.

Могут быть разогнана центральные процессоры, память, видеокарты, матплаты, роутеры и прочее.

Классическим методом разгона может быть задание параметров через интерфейс BIOS оборудования и установку там более высоких значений частот работы компонентов системы, нежели штатные. Другой метод — перепрошивка BIOS'а альтернативной от штатной микропрограммой, имеющей уже другие параметры частот и напряжения по умолчанию. Третий метод — повышение частот через операционную систему с помощью специального разгонного программного обеспечения.

Для тестов стабильности компонентов компьютеров используются программное обеспечение такое как: Prime95, AIDA64, Super PI, LINPACK, SiSoft Sandra, BOINC, Memtest86+, OCCT.

Переход на новые технологии изготовления процессоров, разработка новых алгоритмов их работы является перспективным продвижением данной отрасли. По прогнозам ученых скорость процессоров через 10 лет может достичь 20-ти кратного увеличения по сравнению с современными процессорами.

Автоматизм работы процессора, возможность выполнения длинных последовательных команд без участия человека – одна из основных отличительных особенностей ЭВМ как универсальной машины по обработке информации.

Список источников

Цель данной работы – рассмотреть классификацию, структуру, основные характеристики и историю развития микропроцессоров ПК.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
 Раскрыть основные понятия темы;
 Дать общую схему классификации микропроцессоров;
 Рассмотреть структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК;
 Рассмотреть историю развития микропроцессоров и усовершенствования основных характеристик.

Содержание работы

Введение 3
1 Теоретическая часть 4
1.1 Определение микропроцессора 4
1.2 Классификация микропроцессоров 5
1.3Функции и строение микропроцессора 8
1.4. Основные характеристики микропроцессоров ПК 13
2 История развития микропроцессора 15
2.1 Этапы технологии производства 15
2.2 Современная технология изготовления 17
Заключение 31
Библиографический список 32

Файлы: 1 файл

Отчет по лабораторной работе №1,2,3.docx

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Пензенский государственный технологический университет"
(ПензГТУ)

Выполнил: слушатель Чугунов Николай Сергеевич

Направление подготовки: 230400.62

Проверил: д.т.н., профессор кафедры ИТС Михеев М.Ю.

1 Теоретическая часть 4

1.1 Определение микропроцессора 4

1.2 Классификация микропроцессоров 5

1.3 Функции и строение микропроцессора 8

1.4. Основные характеристики микропроцессоров ПК 13

2 История развития микропроцессора 15

2.1 Этапы технологии производства 15

2.2 Современная технология изготовления 17

Библиографический список 32

Введение

Компьютерная техника лежит в основе современного прогресса. Она обеспечивает работу современных станков, контроль технологических процессов на производстве, связь на всех уровнях (от межгосударственного до бытового). С помощью нее проводятся сложные и трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы конструирования, разработки, фундаментальные исследования, то есть задает темпы прогресса.

Важнейший компонент любого персонального компьютера - это микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации.

И в зависимости от того, как будет в будущем меняться мощность этой маленькой детали, будет зависеть производительность всей компьютерной техники в целом. Полученные в ходе написания работы знания могут пригодиться и в обыденной жизни, например при приобретении персонального компьютера.

Цель данной работы – рассмотреть классификацию, структуру, основные характеристики и историю развития микропроцессоров ПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Раскрыть основные понятия темы;
Дать общую схему классификации микропроцессоров;
Рассмотреть структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК;
Рассмотреть историю развития микропроцессоров и усовершенствования основных характеристик.

1 Теоретическая часть

1.1 Определение микропроцессора

Вернемся к истории. Так случилось, что отдельные транзисторы и интегральные схемы были вытеснены с рынка новым устройством — микропроцессором. Это и было началом новой компьютерной эры, которая длится вот уже без малого четыре десятилетия. Отсчет нового летоисчисления компьютерной эры ведут с 1971 г., когда командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тэдом Хоффом был создан первый микропроцессор Intel 4004.

Первый чип Intel 4004 работал на частоте 750 кГц, содержал 2300 транзисторов и стоил около 200$. Производительность его оценивалась в 60 тыс. операций в секунду. На сегодняшний день рекордные показатели принадлежат микропроцессорам Alpha 21264 фирмы DEC и составляют: 600 МГц, 15,2 млн. транзисторов, 2 млрд. операций в секунду. Стоят они около 300$.

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

Основные функции процессора: выработка синхронизирующих сигналов; формирование исполнительных адресов для обращения к оперативной памяти; организация обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами; организация многопрограммной работы.

1.2 Классификация микропроцессоров

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему.

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

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

По системе команд микропроцессоры отличаются огромным разнообразием, зависящим от фирмы-производителя. Тем не менее можно определить две крайние политики построения микропроцессоров:

Аккумуляторные микропроцессоры;
Микропроцессоры с регистрами общего назначения;

В микропроцессорах с регистрами общего назначения математические операции могут выполняться над любой ячейкой памяти. В зависимости от типа операции команда может быть одноадресной, двухадресной или трёхадресной.

Принципиальным отличием аккумуляторных процессоров является то, что математические операции могут производиться только над одной особой ячейкой памяти - аккумулятором. Для того, чтобы произвести операцию над произвольной ячейкой памяти её содержимое необходимо скопировать в аккумулятор, произвести требуемую операцию, а затем скопировать полученный результат в произвольную ячейку памяти.

В настоящее время в чистом виде не существует ни та ни другая система команд. Все выпускаемые в настоящее время процессоры обладают системой команд с признаками как аккумуляторных процессоров, так и микропроцессоров с регистрами общего назначения.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет.

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 позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

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

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

Поколения процессоров отличаются друг от друга скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом. словом, буквально всем. Причем отличаются не только количественно, но и качественно. Так, при переходе от Pentium к Pentium II и затем — к Pentium III была значительно расширена система команд (инструкций) процессора.

В пределах одного поколения все ясно: чем больше тактовая частота, тем быстрее процессор. А как же быть, если на рынке имеются два процессора разных поколений, но с одинаковой тактовой частотой? Например, Pentium III и Pentium 4. Конечно, второй процессор поколения будет работать быстрее — на 10—15 %, в зависимости от задачи. Связано это с тем, что в новых процессорах часто бывают встроены новые системы команд-инструкций, оптимизирующих обработку некоторых видов информации.

1.3 Функции и строение микропроцессора

Обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
Программное управление работой устройств компьютера.

Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства:

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью.

Основная задача информатики заключается в определении общих закономерностей, в соответствии с которыми происходит создание научной информации, ее преобразование, передача и использование в различных сферах деятельности человека.
Цель данной работы – рассмотреть классификацию, структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК.

Содержание

Прикрепленные файлы: 1 файл

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ВОПРОС_Типы процессоров.docx

Иванова Е.А. Экономика и управление

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Студент группы специализации

Технология хлебопекарного, макаронного, кондитерского производства и пищеконцентратов

Гормаш Наталья Михайловна

Захарова Валентина Станиславовна

_________ __________ __________

ФИО преподавателя Дата Подпись

Информатика — научная дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности всех процессов обмена информацией при непосредственном устном и письменном общении специалистов до формальных процессов обмена посредством различных носителей информации. Значительную часть этих процессов составляет научно-информационная деятельность по сбору, переработке, хранению, поиска и распространению информации.

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

Определение микропроцессора

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый ЦПУ на одном чипе сверхбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров, в настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

С начала 1970-х широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP) из-за утечек тока и других факторов.

Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками, так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие как Pentium II — были реализованы на нескольких микросхемах).

Классификация микропроцессоров

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная 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.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры - цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому 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. Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению 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.

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

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

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

Во много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ.

Структура микропроцессора

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. 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 специалистами — один отвечает за обработку звука, другой — за создание трехмерного изображения.

Основное и главное отличие центрального процессора — это его универсальность. При желании (и, разумеется, при наличии необходимой мощности и соответствующего программного обеспечения) центральный процессор может взять на себя любую работу.

Однако процессор — это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. В состав микропроцессора входят следующие устройства.

1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

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

формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах.

4. Кэш-память. Буферная память — своеобразный накопитель для данных. В современных процессорах используется два типа кэш- памяти: первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня — чуть помедленнее, зато больше — от 128 килобайт до 2 Мб.

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

Адресная шина. Шина или часть шины, предназначенная для передачи адреса, а именно используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

Шина команд. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

Шина данных — информационная магистраль, благодаря которой процессор может обмениваться данными с другими устройствами компьютера.

Основные характеристики микропроцессоров ПК

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя главными характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Читайте также: