Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Архитектура ПК и назначение процессора).pdf

Введение

Несмотря на то что персональный компьютер (ПК) сложное устройство со множеством блоков и модулей различного назначения, без которых работа ПК в целом невозможна, основным устройством его является микропроцессор или просто - процессор.

В современном мире невозможно найти сферу жизни, где не применялись бы микропроцессоры.

Актуальность этой работы заключается в том, что микропроцессор персонального компьютера является основой современной компьютерной техники. В свою очередь компьютерная техника составляет основу современного научно-технического прогресса. Она контролирует работу современного технологического оборудования, управляет станками с ЧПУ, инженерными системами и коммуникациями, обеспечивает связь на различных уровнях. С помощью компьютерной техники производятся сложнейшие и трудоемкие расчеты, что существенно сокращает временные затраты на конструирование и разработку различных устройств, механизмов и систем, обработку данных научных исследований, моделирование и проверку фундаментальных теорий и гипотез. И в зависимости от того, насколько производительным будет становиться в дальнейшем микропроцессор, настолько быстрее будут развиваться большинство сфер деятельности человека, но в первую очередь научный и технический прогресс. Т.е. наука и технологии создают все более совершенные микропроцессоры, а они в свою очередь становятся одним из главных инструментов в развитии и науки и технологий.

Микропроцессор – самое сложное микроэлектронное устройство. В нем реализованы самые передовые достижения в области создания электронных компонентов. В условиях характерных для данной отрасли производства, жесткой конкурентной борьбе и огромных финансовых затратах, создание каждой новой модели микропроцессора, так или иначе, связан с очередными научными, конструкторскими и технологическими достижениями.

В микропроцессорах получили свое отражение научно-технические достижения в областях физики, математики, электроники, кибернетики. Известно огромное число сфер применения микропроцессоров. Основными являются: автоматизация технологического оборудования, управление производственными процессами, моделирование объектов, уустройств и процессов, обработка результатов экспериментов, исследований и наблюдений, управление приборами и искусственными органами в медицине, построение систем управления безопасностью в авиации, автомобильном, морском и железнодорожном транспорте.

---

Цель данной курсовой работы: рассмотреть назначение, характеристики и классификацию, процессоров ПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- раскрыть основные понятия темы;

- рассмотреть историю развития процессоров ПК

- рассмотреть структуру и основные характеристики процессоров ПК.

- дать общую схему классификации микропроцессоров;

История создания и перспективы развития

Развитие науки и производств привело к необходимости создания устройств способных облегчить математические расчеты. Сначала были созданы механические устройства, получившие название арифмометры. Они выполняли простейшие арифметические операции: сложение, вычитание, умножение и деление. Однако их возможности были ограниченны в силу понятных причин. В какой-то момент возможности арифмометра и логарифмической линейки были исчерпаны, а развитие радиоэлектронных компонентов привело к созданию первых компьютеров.

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 [14, С. 23].

Процессоры первых огромных, занимавших порой объем комнаты, компьютеров середины XX века, были построены на базе электромеханических реле, затем их сменили электронные лампы, с развитием полупроводниковой электроники, им на смену пришли транзисторы. Такие устройства скорее можно назвать вычислительными комплексами, нежели персональными компьютерами. Им были присущи низкая надежность, высокое энергопотребление, низкое быстродействие, ограниченность выполняемых операций.

Развитие полупроводниковых технологий привело к созданию интегральных микросхем, в которых удалось объединить все компоненты необходимые для вычислений.

В конце 60х годов XX векаа компания Busicom (Япония) заключила контракт с компанией Intel (США) на разработку и производство микрокосхем для своего нового продукта – настольного калькулятора [13, С. 70].

Итогом стала микросхема (ныне их принято называть чипами), выпущенная в 1971 году - Intel 4004, ставшая первым коммерческим однокристальным микропроцессором. Это был 4 битный процессор, выполненный по технологическому процессу 10 000 нм, с тактовой частотой 0,74 МГц, количеством транзисторов 2300, потреблением 0,5 Вт и напряжением питания 15 В.

---

Рис.1. Микросхема Intel C4004

Рис.2. Увеличенное изображение кристалла Intel C4004

Рис.3. Процессор Intel® Core™ i7 6700 Processor

Рис.4. Кристалл процессора Intel® Core™ i7 6700 Processor

Для сравнения: на данный момент коммерческим флагманом в области микропроцессоров для персональных компьютеров, лидера сферы микропроцессорной техники, компании Intel, является процессор Intel® Core™ i7 6700 Processor (мы говорим именной о персональных компьютерах и не рассматриваем инженерные версии процессоров следующих модификаций и поколений и процессоры для серверных платформ). Этот процессор 6 поколения, имеет 64 битную разрядность, выполнен по 14 нм технологии, с базовой тактовой частотой в 4 ГГц (с применением технологии Turbo Boost – 4,2 ГГЦ), количество транзисторов 1,9 миллиарда, потребляемая мощность 91 Вт [11, С. 25].

Как видим за 45 лет изменение в значениях некоторых технических показателей измеряется порядками.

Рис.3 Иллюстрация закона Мура

Еще на заре микропроцессорной техники, в 1965 году, один из основателей, тогда еще небольшой и одной из сотен подобных, калифорнийской компании, а теперь корпорации – Intel, создатель первого микропроцессора Intel C4004 Гордон Мур высказал предположение ставшее в последствие законом Мура. Готовясь к очередному выступлению он пытался определить стоимость производства одного элемента интегральной микросхемы в будущем, в зависимости от того сколько элементов удастся разместить на одном кристалл. Причем, он обратил внимание на то, что количество транзисторов на кристалле микросхем с каждым годом удваивается [7, C. 56]. В итоге, закон Мура постулирует экспоненциальный рост числа транзисторов на одном микропроцессорном кристалле.

И несмотря на то, что этот закон неоднократно «хоронили», причем это дважды делал и сам Гордон Мур, он продолжает выполнятся и по сей день. Особенностью этого закона является то, что он отражает лишь скорость роста количества элементарных составляющих микропроцессора, но не отражает рост производительности микропроцессорных систем, за счет усовершенствования архитектуры: увеличение числа физических ядер, параллельное выполнение нескольких потоков команд одним ядром, увеличение разрядности внутренних шин, внесение на кристалл процессора кэш-памяти различных уровней, контроллера управления оперативной памятью, видеоконтроллера и т.д.

---

Однако нынешние технологии создания микропроцессоров, совершенно очевидно, себя исчерпали. Это связано в первую очередь с атомарной природой структуры веществ и дискретностью света.

Перспективы развития технологий производства микропроцессоров связывают с вновь открываемыми веществами, в частности с графеном. А перспективы дальнейшего развития компьютерной техники и технологий связывают с квантовыми компьютерами.

Архитектура ПК и назначение процессора

Несмотря на быстрое развитие микропроцессорной техники, назначение процессора персонального компьютера осталось прежним - это центральный блок, предназначенный для выполнения арифметических и логических операций над данными и управления работой остальных блоков персонального компьютера.

Современные микропроцессоры для ПК построены по архитектуре фон Неймана – это принципы хранения и обработки команд и данных был выработан венгро-американским математиком еврейского происхождения Джоном фон Нейманом в 1946 году:

• Принцип однородности памяти

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования; то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему.

• Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса.

• Принцип программного управления

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.

---

• Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.

Рис.4. Архитектура ПК построенного на принципах фон Неймана.

Первым процессором построенным по этим принципам стал микропроцессор Intel 8086 (iAPX86). Это был 16-ти битный процессор, который содержал набор команд, которые применяются в современных процессорах и который послужил основой архитектуры x86, на которой построено большинство современных ПК [1, С. 52].

Любой современный компьютер при запуске работает в режиме, называемом реальным - абсолютно идентичном режиму работы Intel 8086, и лишь потом переходит в защищенный режим, который позволяет ему использовать все свои технологии и вычислительную мощь.

Такой принцип построения позволил обеспечить совместимость на командном уровне различных поколений микропроцессоров. Это в свою очередь стало одним из главных преимуществ это архитектуры, что позволило ПК построенным по этой схеме, получить широчайшее распространение и как следствие сориентировало в их сторону разработчиков программного обеспечения (ПО) и операционных систем (ОС).

Структура и функции процессора ПК

Основные функции микропроцессора включают в себя:

1. Чтение команд из памяти
2. Дешифрация команд
3. Прием и обработку прерываний от контроллеров внешних устройств.
4. Выполнение операций над данными
5. Запись результатов обработки данных в память и регистры контроллеров внешних устройств
6. Формирование управляющих сигналов для прочих устройств ПК [3, С. 70].

Микропроцессор состоит из следующих блоков:

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - выполняет все арифметические и логические операций над данными.
2. Устройство управления - обеспечивает взаимодействие устройств ПК [5, С. 62]. Выполняет следующие основные функции:

---