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

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

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

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

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

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

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

• получает от генератора тактовых импульсов последовательность импульсов.

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

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

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

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

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

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

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

Основные характеристики микропроцессоров ПК

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

Рассмотрим характеристики процессора более подробно.

1. Тип микропроцессора.

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

- компьютеры класса XT;

- компьютеры класса AT;

- компьютеры класса 386;

- компьютеры класса 486;

- компьютеры класса Pentium.

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

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

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

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

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

5. Архитектура микропроцессора.

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

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

- микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

- микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

- микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

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

CISC-процессоры

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

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

RISC-процессоры

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

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

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

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

MISC-процессоры

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

Многоядерные процессоры

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Структурная схема микропроцессора.

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