Классификация, структура и основные характеристики микропроцессов ПК

Введение

1. Классификация, структура и основные  характеристики

микропроцессов  ПК

1.1 Основные понятия, используемые  при изучении объекта. Определение  микропроцессора

1.2 Классификация микропроцессоров  ПК

1.3 Структура микропроцессоров ПК

1.4 Основные характеристики микропроцессоров  ПК

2. Практическая часть

2.1 Общая характеристика задачи

2.2 Описание алгоритма решения задачи

Заключение

Литература

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Создание фирмой Intel первого микропроцессора в 1971 году положило начало эпохе компьютеризации. За чуть более чем четвертьвековую историю микропроцессоры прошли поистине гигантский путь. Первый чип Intel 4004 работал на частоте 750 кГц, содержал 2300 транзисторов и стоил около 200$. Производительность его оценивалась в 60 тыс. операций в секунду. Рекордные показатели принадлежат микропроцессорам Alpha 21264 фирмы DEC и составляют: 600 МГц, 15,2 млн. транзисторов, 2 млрд. операций в секунду. Стоят они около 300$.

В последствии появились первые популярные и коммерчески успешные процессоры с архитектурой VLIW -- Intel Itanium (октябрь 1999) и Transmeta Crusoe (январь 2000). Затем, с некоторым опозданием от других платформ вышли 64-битные расширения для x86, реализованные в процессорах AMD Opteron (технология AMD64, апрель 2003) и Pentium 4 (EM64T, август 2004).

В начале нового тысячелетия развитие центральных процессоров пошло  в сторону увеличения количества ядер в одном процессорном корпусе. Практически одновременно вышли  двухъядерные CPU всех популярных архитектур: PA-RISC 8800 (февраль 2004), UltraSPARC-IV (февраль 2004), IBM PowerPC G4 (август 2004), MIPS BCM1255 (октябрь 2004), AMD Athlon X2 (апрель 2005), Pentium D (май 2005), Itanium 2 (октябрь 2005), Intel Core 2 Duo (июль 2006). В ноябре 2005 вышел первый трехъядерный процессор Xenon/Waternoose для игровой консоли X-Box 360.

Корпорация IBM сообщила в подробности о самом быстром компьютерном чипе в мире - микропроцессоре нового мэйнфрейма IBM(сентябрь 2010). Чипы, которыми оснащается новая система IBM zEnterprise System, работают с рекордной тактовой частотой 5,2 ГГц. Процессор z196 - это 4-ядерный чип, содержащий 1,4 млрд. транзисторов на подложке площадью 512 квадратных миллиметров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация, структура  и основные характеристики микропроцессов  ПК

1.1 Основные понятия,  используемые при изучении объекта.  Определение микропроцессора

Процессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ или вычислительной системы, которое выполняет арифметические и логические операции, управляет  вычислительным процессом и координирует работу периферийных устройств системы.

Микропроцессор - это обрабатывающее и управляющее  устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять  под программным управлением  обработку информации, включая ввод и вывод информации, арифметические и логические операции и принятие решений.

Микропроцессорная БИС - интегральная микросхема, выполняющая  функцию МП или его части (БИС  с процессорной организацией, разработанная  для построения микропроцессорных  систем).

Микропроцессорный комплект (МПК) - совокупность микропроцессорных  и других интегральных микросхем, совместимых  по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного  применения при построении МП, микро-ЭВМ  и других средств вычислительной техники.

Контроллер - это микро-ЭВМ с небольшими вычислительными  ресурсами, обедненной периферией и  упрощенной системой команд ориентированная не на производство вычислений, а на выполнение процедур логического управления различным оборудованием. Контроллеры часто применяют в качестве встраиваемых в различные станки, машины, технологические процессы.

Микроконтроллер - это микропроцессорное устройство ориентированное не на производство вычислений, а на реализацию заданной функции управления.

Микро-ЭВМ - это вычислительная или управляющая  система выполненная на основе одного или нескольких МП содержащая БИС постоянной и оперативной памяти, БИС управления вводом и выводом информации и оснащенная необходимым периферийным оборудованием (дисплей, печатающее устройство, накопители на магнитных дисках и т. п.).

Мини-ЭВМ (малая ЭВМ) - малогабаритные ЭВМ  общего применения малой или средней  производительности используемые главным  образом для решения несложных  инженерно-технических задач. Специализированные мини-ЭВМ используются в системах автоматического управления.

Микропроцессорная система (МП-система) - специализированная информационная или управляющая  система, построенная на основе микропроцессорных  средств, т. е. набора микропроцессорных  схем.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Классификация микропроцессоров  ПК

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

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.

На рисунке 1, показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.

Рисунок 1 - Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение  для реализации процессора в виде комплекта секционных БИС (б).

Многокристальные  секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС  реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 1,б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них  добавляются средства "стыковки".

По  назначению различают универсальные  и специализированные микропроцессоры.

По  виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры.

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

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

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.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. [1, c.225]

1.3 Структура микропроцессоров  ПК

Процессор -- основная микросхема компьютера, в которой производятся все вычисления. Процессор в компьютере не один -- их 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 специалистами -- один отвечает за обработку звука, другой -- за создание трехмерного изображения. На рисунке 2,изображена структура микропроцессора.

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 и 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.

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).

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

6. Интерфейсная система микропроцессора  предназначена для связи с  другими устройствами компьютера  и включает в себя:

внутренний  интерфейс микропроцессора;

буферные  запоминающие регистры;

схемы управления портами ввода-вывода и  системной шиной (порт ввода-вывода -- это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору, другое устройство.) [3, c.503]

Рисунок 2 - Структура микропроцессора

РОН - регистры общего назначения; РгБ - буферный регистр; РгСдв - сдвиговый регистр; АЛУ - арифметико-логическое устройство; УУВО - устройство управления выполнением операций; ДшК - дешифратор команд; РгК - регистр команд; ПС - программный счетчик; БД - буфер данных; БА - буфер адреса; ОЗУ - оперативное запоминающее устройство; ЗУК - запоминающее устройство команд.

1.4 Основные характеристики  микропроцессоров ПК

К основным характеристикам микропроцессора  можно отнести такие показатели как тактовую частоту, разрядность  процессора, размер кэш-памяти, тип  ядра, форм-фактор и т.д. Рассмотрим все это более подробно.

Тактовая частота. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду). На сегодняшний день существуют процессоры частота которых 1 ГГц, он имеет максимальную потребляемую мощность 500--800 мВт (приблизительная оценка на основе функциональных тестов), кэш L2 объёмом 512 Кбайт, основное ядро с модифицированной архитектурой ARM Cortex A8 и интегрированное графическое ядро PowerVR SGX 535 (такое же, как и в процессоре телефона iPhone 3GS). Производится по 45-нанометровому технологическому процессу.

Пик спроса сегодня приходится на процессоры с частотой от 3 до 4 ГГц.

Разрядность процессора. Если тактовую частоту процессора можно уподобить скорости течения воды в реке, то разрядность процессора -- ширине ее русла. Понятно, что процессор со вдвое большей разрядностью может «заглотнуть» вдвое больше данных в единицу времени -- в том случае, конечно, если это позволяет сделать специально оптимизированное программное обеспечение. Сегодня подавляющее большинство «домашних» процессоров -- 64-разрядные (64-битные).

Размер кэш-памяти. В эту встроенную память процессор помещает все часто используемые данные к более медленной оперативной памяти и жесткому диску. Кэш-память в процессоре имеется двух видов первого уровня 32 Кб и второго уровня 256 Кб (в компьютерах Aplle последних моделей)

Тип ядра. Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного «ядра» -- и частенько получается так, что на одном и том же прилавке мирно уживаются процессоры от одного производителя, с одинаковой актовой частотой, принадлежащие к одному поколению, но с разными ядрами. Например, среди процессоров Pentium 4 есть старые модели, произведенные по 0,13 микронной технологии (Northwood) и новая модификация Prescott(0,09 микрон). В настоящее время большинство процессоров производится по 0,09-микронной технологии -- а это значит, что размер самых маленьких их элементов в 500 раз меньше толщины человеческого волоса.

Форм-фактор. Часто смена типа ядра и архитектуры процессора влечет за собой изменения в его внешности -- форм-факторе, т. е. типе корпуса, в который упакован процессор. Например, процессоры Pentium 4 Prescott выпускаются в форм-факторе LGA775 (Socket T), а модели постарее рассчитаны на разъем Socket 478. А это значит, что старую модификацию Pentium 4 вы уже не сможете установить на новую системную плату -- и наоборот.