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

Рассмотрим конвейерную архитектуру процессора. Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Как правило, реализация каждой команды требуется выполнить ряда подобных операций, к примеру: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

• прием и декодирование инструкции (извлечение)

• адресации и извлечение операнда из ОЗУ (Memoryaccess)

• арифметика (ArithmeticOperation)

• сохранить результат операции (магазин)

После освобождения в K-й ступени конвейера, он сразу же начинает работать на следующей команде. Если допустить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, тем не менее в самом оптимистичном случае итог выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо осуществлять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при применении конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд потребуется всего лишь n + m единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

1) простой конвейера, когда отдельные ступени не применяются (например, адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, когда команда работает с регистрами);

2) ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);

3) очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры обладают более 30 ступеней в конвейере, это усиливает продуктивность процессора, но приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.).

Первый микропроцессор в открытом доступе был 4 бит Intel 4004. Он был заменен на 8-битной Intel 8080 и 16-разрядные 8086, были заложены основы для архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за преобладания модулей памяти 8-разрядных была выпущена 8088, 8086 клон с 8-битной шиной памяти. Затем приступил его модификации в 80186. Процессор 80286 появился защищенный режим режим, 24-битную адресацию, что позволяет использовать до 16 МБ оперативной памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и представил расширенный защищенный режим, 32-разрядной адресации, что позволило использовать до 4 Гб оперативной памяти и механизм поддержки виртуальной памяти. Эта линейка процессоров, построенных на модели регистра вычислений.

Рассмотрим технологию изготовления процессоров.

В современных компьютерах, процессоры выполнены в виде компактного модуля (размер примерно 5 × 5 × 0,3 см) вставляются в гнездо ZIF-сокет. Большинство современных процессоров реализованы как один полупроводниковый чип, содержащий миллионы, а в последнее время даже миллиарды транзисторов. Первые компьютерные процессоры были громоздкие агрегаты, иногда как целые шкафы и даже комнаты, и были выполнена из большого количества отдельных компонентов.

В начале 1970-х годов благодаря прорыву в технологии БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микросхемы, можно было разместить все нужные компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Были так называемые микропроцессоры. В наше время слова микропроцессор и процессор стали почти синонимами, но тогда это было не так, потому что нормальные (большие) и микропроцессорные компьютеры мирно сосуществовали до сих пор, по крайней мере, на 10-15 лет, и только.в начале 1980-х лет, микропроцессоры заменили их старшие коллеги. Переход к микропроцессорам позволил создать персональные компьютеры, которые теперь почти есть в каждом доме [1, с. 88].

Первый микропроцессор Intel 4004 был запущен 15 ноября 1971 г. с Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работающих на тактовой частоте 740 кГц и стоил $ 300.

На протяжении многих лет, микропроцессорная технология разработала много различных архитектуры. Многие из них (в расширенной и улучшенной форме) все еще используются сегодня. Например, Intel x86, разработанная первоначально в 32-битном IA-32, а затем 64-битный x86-64 (Intel, который называется EM64T). Архитектура x86 архитектура процессора впервые была использована только в персональных компьютерах компании IBM (IBM), но теперь все чаще используется во всех областях компьютерной индустрии, от больших ЭВМ для встраиваемых решений. Вы также можете перечислить такие архитектуры, как альфа, мощности, SPARC, PA-RISC архитектуры процессора архитектуры MIPS (RISC) и IA-64 (EPIC архитектуры).

Большинство процессоров, используемых в настоящее время Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и т.д., как процессоры компании Intel.

Наиболее популярные процессоры сегодня сделаны из фирмы Intel, AMD и IBM. Среди процессоров от Intel: 8086, i286 (в компьютерном жаргоне называется "двойка", "двушка") для i386 ( "три", "три"), i486 (квартет), Pentium ( "пень", "пень" , "пень второй", "третий перо" и т.д. Существует также возвращение имен: Pentium III под названием "Тройка", Pentium 4-я - "четверка"), то Pentium процессор, Pentium III и Celeron с ( упрощенная версия Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7 и Xeon серии процессоров для серверов), Itanium атома серии процессоров для встраиваемых технологий) и т.д. Компания AMD имеет в своей линейке процессора архитектуры x86 архитектура (по аналогии с 80386 и 80486, семьи, семьи K6 и K7 - Athlon, Duron, Classic) и x86-64 (Athlon 64 и Athlon 64 X2, на Phenom, Opteron и т.д.).

2. ТИПЫ ПРОЦЕСОРОВ

Определение микропроцессора

Микропроцессор (МП) является программным управлением электронным цифровым прибором, предназначенным для обработки цифровой информации и управлением этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов. Классификация современных микропроцессоров на функциональному признаку. (Приложение А).

Первые микропроцессоры появились в 1970-е годы и были использованы в электронных калькуляторов, используя двоично-десятичный арифметику на 4-разрядных слов. Вскоре они начали встраиваться их в других устройства, таких как терминалы, принтеры, а также различные автоматизации. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресации позволили в середине 1970-х годов, создан первый отечественный бытовой микрокомпьютер.

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных схем малой и средней интеграции, содержащие от нескольких до нескольких сотен транзисторов. Размещение процессора на одном кристалле сверхбольших интеграций привело к значительному снижению его стоимости. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других компьютеров, в настоящее время, один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всем, от самых маленьких встраиваемых систем и мобильных устройств устройства на больших мейнфреймов и суперкомпьютеров.

С начала 1970-х широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов наинтегральной микросхемы удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х годов, главным препятствием для развития новых микропроцессоров было рассеивание (TDP) из-за утечки тока и других факторов [1].

Некоторые авторы называют микропроцессорами только те устройства, которые реализованы строго на одном чипе. Это определение расходится с научными источниками и коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие как Pentium II — были реализованы на нескольких микросхемах).

В данное время, в связи с весьма небольшим распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» почти равносильны.

Классификация микропроцессоров

Число больших интегральных схем (БИС) для микропроцессорного комплекта различают микропроцессоры однокристальными, многокристальные и многокристальный секционные.

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольших интегральная схема). По мере роста уровня интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров совершенствуются.

Тем не менее потенциалы однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора нужно провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная полнота БИС многокристальный микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать независимо друг от друга.

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

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть использованы для решения широкого круга разнообразных задач. Тем не менее, их 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.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, и предназначен для повышения производительности при выполнении арифметических операций, например, матричные методы их реализации, для обработки данных в различные области применения и т.д.

Со ссылкой на обрабатывание входных сигналов различают аналоговые и цифровые микропроцессоры. Сами по себе микропроцессоры, цифровые устройства, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Вследствие этого 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. Отличительной особенностью аналоговых процессоров - это способность перерабатывать большое количество числовых данных, т.е. выполнения 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.

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 разрешают начало выполнения каждой следующей операции установить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

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

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

В многомагистральныхмикроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет одновременную передачу информационных сигналов с помощью нескольких (или всех) дорог. Такие системы усложняет их конструкцию, но увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

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

В много- или мультипрограммных микропроцессах одновременно выполняет несколько (обычно несколько десятков) программ.

Структура микропроцессора

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления [3, с.80]. На самом деле, процессор в компьютере не один из них 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 — один отвечает за обработку звука, другой — за создание трехмерного изображения.

Основным и наиболее важным отличием процессора является его универсальность. При желании (и, конечно же, с необходимой мощностью и соответствующим программным обеспечением) процессор может взять на себя любую работу, в то время как процессор видеокарты при всем желании не сможет декодировать, скажем, музыкальный файл .

Любой процессор выращевается по специальной технологии кристаллического кремния (не зря на жаргоне процессор называется "камень"). Тем не менее, этот камень содержит множество отдельных элементов - транзисторов, соединенных металлических мостов-контактов. Они дают компьютеру возможность "подумать". Точнее, вычислять, производя определенные математические операции с числами, в которые преобразуется любая поступающая в компьютер информация.