Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Назначение процессоров).pdf

Введение

Актуальность данной темы заключается в том, что процессор является основой современной компьютерной техники. Компьютерная техника лежит в основе современного прогресса. Она обеспечивает работу современных станков, контроль технологических процессов на производстве, связь на всех уровнях. С помощью нее проводятся сложные и трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы конструирования, разработки, фундаментальные исследования, то есть задает темпы прогресса.

Современные микропроцессоры представляют собой самые быстрые и умные микросхемы в мире. Они могут совершать до 4 млрд. операций в секунду и производятся с использованием множества различных технологий. Использование всех основных свойств кремния, для получения больших частот при наименьших потерях при производстве и создании логических схем обеспечивает высокую производительность современных процессоров.

Микропроцессор является интегральной схемой, сформированная на кристалле кремния. Применение кремния в микросхемах обусловлено тем, что он обладает полупроводниковыми свойствами. Электрическая проводимость кремния больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов.

Объект исследования – процессор персонального компьютера.

Предмет исследования – назначение, функции, классификация процессора.

Целью данной работы является изучение назначения, функций, классификации процессора персонального компьютера.

В соответствии с целью была определена необходимость постановки и решения следующих задач:

– изучить назначение процессора персонального компьютера

– изучить функции процессора персонального компьютера;

– описать классификацию процессоров персонального компьютера;

– дать характеристику технологии производства процессоров;

– дать характеристику современным процессорам.

1. Процессор персонального компьютера

1.1. Назначение процессоров

Центральный процессор (Central Processing Unit – CPU) является самой важной частью аппаратного обеспечения персонального компьютера, которая представляет собой специальный программируемый логический контроллер, который отвечает за реализацию вычислительного процесса [1].

Центральный процессор компьютера выполняется в виде отдельного чипа (интегральной микросхемы со сверхвысокой степенью интеграции элементов – ULSI) и позволяет реализовать все возложенные функции, которые присущи данного рода устройствам. Такие радиоэлектронные элементы называются микропроцессорами. Средства обработки центрального процессора обеспечивают выполнение необходимых операций с плавающей и фиксированной точкой, операций с полями переменной длины и десятичными данными.

Локальная память состоит из специальных регистров общего назначения и с плавающей точкой, а также специализированных управляющих регистров. К средствам управления памятью можно отнести специальные средства управления доступом к используемой оперативной памяти и предвыборкой необходимых команд, буферная память, специализированные средства защиты используемой памяти [8].

Специализированные средства центрального процессора персонального компьютера по управлению вводом-выводом обеспечивают приоритетный доступ прикладных программ по средствам использования контроллеров к разного рода периферийному оборудованию. К системным средствам можно отнести различные средства службы времени: часы астрономического времени, таймер, коммутатор и т.д.

Существует обязательный минимальный набор специализированных функциональных средств для каждого типа центрального процессора персонального компьютера. Он включает в себя: регистры общего назначения, средства управления вычислительным процессом и средства выполнения стандартного набора операций.

Конкретная реализация центрального процессора персонального компьютера может в некоторой степени различаться своим составом используемых средств, способом их практической реализации, используемыми техническими параметрами.

1.2. Функции процессора

К основным функциональными блоками процессора персонального компьютера можно отнести следующие:

– блок арифметическо–логических операций используется для выполнения необходимой обработки поступающих в него оперативных данных. Перечень выполняемых операций блоком арифметическо–логических операций зависит от используемого типа процессора. В большинстве процессоров могут быть выполнены такие операции: арифметическое вычитание и сложение; логические операции И, НЕ, ИЛИ, исключающее ИЛИ; операции декремента и инкремента; арифметические и логические сдвиги влево и вправо [13]. Данный блок строится на базе использования двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, регистров для временного хранения регистров–сдвигателей и операндов, комбинационных схем для выполнения выработки логических условий, схем десятичной коррекции и других вспомогательных функциональных узлов;

– блок формирования адресов, обеспечивает адресацию к внешней памяти и внешним устройствам персонального компьютера. Его основными узлами являются указатель стека, программный счетчик, декрементор–инкрементор, адресный регистр;

– блок обработки команд, используется для приема и декодирования поступающих команд, а также для формирования специальных сигналов управления узлами обработки денных;

– блок управления и синхронизации, координирует работу всех узлов процессора персонального компьютера;

– блок регистров, выполняет функции временного хранения операндов, функции сверхоперативной внутренней памяти;

– внутренняя шина, используется для организации связи между отдельными узлами и блоками процессора персонального компьютера. В общем случае внутренняя шина включает в себя шины для передачи оперативных данных, управляющих сигналов и адреса.

На центральный процессор возлагается выполнение операций, которые предусмотрены его внутренней системой команд. В процессе выполнения различных прикладных программы центральный процессор персонального компьютера обеспечивает выполнение всех возложенных на него функций, предусмотренных его программной реализацией [3]. К ним можно отнести следующие:

– прием данных из оперативной памяти, выполнение над ними логических, арифметических и других операций, которые определяются кодом используемой команды, и выполнение передачи обработанных данных во внешние устройства или память персонального компьютера;

– формирование адреса данных или команд, которые хранятся в оперативной памяти персонального компьютера;

– временное хранение полученных результатов в процессе выполнения операций, адресов, формируемых сигналов состояния и других оперативных данных;

– формирование сигналов управления, состояния и времени, которые необходимы для нормальной работы всех внутренних узлов, а также внешних устройств и памяти персонального компьютера;

– выборка команд из памяти персонального компьютера и их последующая дешифрация;

– прием сигналов выполненных запросов от используемых внешних устройств и их последующее обслуживание.

Для выполнения перечисленных функций центральный процессор персонального компьютера должен располагать необходимым набором аппаратных средств и соответсвующих связей между ними на базе использования различного рода шин, рис. 1.

Рисунок 1 – Обобщенная структура процессора

С каждым новым поколением современные процессоры персонального компьютера вбирают в себя все больше технологий и функций. Рассмотрим наиболее значимые, к которым можно отнести следующие: Intel Demand Based Switching; Intel Fast Memory Access; Intel Flex Memory Access; Intel Instruction Replay; Intel My WiFi Technology; Intel Smart Idle Technology; Intel Stable Image Platform; Intel QuickAssist; Intel Quick Resume; Intel Secure Key; Intel Transactional Synchronization Extensions [7].

Совместно с технологией Enhanced Intel SpeedStep Technology, технология Intel Demand Based Switching отвечает за то, чтобы в каждый момент времени при текущей загрузке центральный процессор работал на наиболее оптимальной частоте и получал необходимое электропитание [6]. Таким образом, использование данной технологии способствует снижению энергопотребления и тепловыделения, что является актуальным не только для портативных устройств, но и для серверов.

Функция контроллера памяти Intel Fast Memory Access используется для организации оптимизации работы с оперативной памятью персонального компьютера. Представляет собой специализированную комбинацию технологий, которая позволяет за счет углубленного анализа очереди поступающих команд выявить «совмещаемые» (например, чтение из одной и той же страницы памяти), а затем выполнить переупорядочение для выполнения «совмещаемых» команд друг за другом [2]. Кроме того, менее приоритетные команды записи в память будут планироваться на те моменты, когда будет прогнозироваться опустошение очереди на чтение, и в результате процессы записи в память еще менее будут ограничивать скорость чтения данных.

Другая важная функция контроллера памяти центрального процессора Intel Flex Memory Access, которая появилась еще во времена, когда он являлся отдельным чипом, в 2004 году, обеспечивает наличие комплекса возможностей работы в специализированном синхронном режиме на базе одновременного использования двух модулей оперативной памяти. Таким образом, на базе использования данной технологии достигается гибкость в оснащении персонального компьютера оперативной памятью.

Технология виртуализации Intel My WiFi Technology, позволяет добавить виртуальный WiFi адаптер к физическому; таким образом, ноутбук может стать повторителем или точкой доступа в вычислительной сети. Используемые прикладные программные компоненты My WiFi входят в состав специализированного драйвера Intel PROSet Wireless Software; в тоже время следует отметить, что с данной технологией совместимо небольшое количество WiFi адаптеров.

Очень глубоко расположенная технология Intel Instruction Replay, которая появилась впервые в процессорах Intel Itanium, которая предполагает, что в процессе работы специальных процессорных конвейеров может случиться специфическая ситуация, когда определенной инструкции уже пришла очередь исполняться, а необходимые данные для ее поддержки пока являются недоступными [14].

Тогда токую инструкцию нужно «переиграть»: снять с текущего конвейера команд и запустить в его начале. Еще одной важной функцией данной технологии является коррекция случайных ошибок появляющихся на процессорных конвейерах.

Технология энергосбережения Intel Smart Idle Technology используется для отключения в данный момент времени не используемых блоков процессора или для понижения их частоты. Является незаменимой вещью для центральных процессоров смартфонов, например, Intel Atom.

Программа Intel Stable Image Platform используется для обеспечения стабильности используемого прикладного программного обеспечения, гарантируя, что драйверы и основные компоненты платформ не будут изменены в течение, как минимум, пятнадцати месяцев [10]. Таким образом, для корпоративных клиентов имеется возможность пользоваться одними и теми же развертываемыми образами систем в течение данного срока.

Набор аппаратно реализованных функций Intel QuickAssist, которые требуют достаточно больших объемов вычислений, например, при выполнении шифрования, компрессии, распознавания шаблонов. Смысл технологии QuickAssist заключается в упрощении задачи разработчикам, по средствам предоставления им функциональных «кирпичиков», а также предоставить им возможность существенно ускорить их приложения.

С другой стороны, технология Intel QuickAssist позволяет решать «тяжелые» задачи не базе использования процессоров с низкой производительностью, что является особенно ценным в встраиваемых системах, которые сильно ограничены и по энергопотреблению, и по производительности.

Технология Intel Quick Resume, которая была разработана специально для компьютеров, построенных на базе платформы Intel Viiv, позволяет их включать и выключать очень быстро; при этом в «выключенном» состоянии персональный компьютер может продолжать выполнять некоторых задачи, не которые не требуют непосредственного вмешательства пользователя [11]. И хотя сама платформа плавно перешла в другие практические реализации вместе с сопутствовавшими ей практическими наработками, в ARK данная характеристика еще присутствует.

Обобщающее название для 32- и 64-битной инструкции RDRAND Intel Secure Key, позволяет использовать аппаратную реализацию генератора случайных чисел Digital Random Number Generator (DRNG). Инструкции используются в криптографических целях для генерации высококачественных и красивых случайных ключей [9].

Технология Intel Transactional Synchronization Extensions – New Instructions предполагает наличие специализированных возможностей тонкой надстройки над системой работы с кэшем центрального процессора персонального компьютера, которая позволяет в полной степени оптимизировать среду исполнения многопоточных прикладных программных приложений, но, конечно, только в том случае, если эти прикладные приложения используют специализированные прикладные программные интерфейсы TSX-NI.