Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Назначение и история создания процессора).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования данной курсовой работы связана с тем что в современном мире широко используется вычислительная техника во всех сферах человеческой деятельности: в быту, производстве, медицине, науки и военной технике. В последнее время она получила дополнительный толчок в связи с высокой популярностью высокопроизводительной носимой электроники и развития современных технологий коммуникации между людьми ,таких как интернет и сотовая связь. Устройства становятся все меньше производительнее и вмещают в себя большое количество функций. Все это диктует определенные требования к главному элементу всех этих устройств — центральному процессору.

Предметом исследования курсовой работы является техническое устройство современных процессоров, их назначение, классификация, направления их дальнейшего развития а так же сложности производства которые возникнут в ближайшие десятилетия и пути их преодоления.

В рамках исследования обьекта курсовой работы — современного процессора ПК, мы должны решить следующие задачи:

Научится проводить исследовательскую работу, собирать информацию из разных источников и обобщать ее на страницах курсовой работы в виде логически полной законченной исследовательской работы.

Узнать историю и причину появления первых процессоров и ознакомится с теми идеями и принципами которые были заложены в их основу.
Получить исчерпывающую информацию об устройстве современных процессоров, принципов и алгоритмов их работы.
Провезти анализ ключевых производителей процессоров, а также провести классификацию по типам, назначению и применению современных процессоров.
В основной части курсовой работы мы ознакомимся с основными техническими решениями по увеличению производительности процессоров а также узнаем о технологиях их производства и сложностях которые с этим связанны.
В заключении мы сделаем некоторые выводы о ближайшем будущем индустрии и о том в каких направлениях возможно она будет развиваться.

ГЛАВА 1. ПРОЦЕССОРЫ

1.1 Назначение и история создания процессора

Процессор или Центральное Процессорное Устройство ( ЦПУ ) - электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического устройства..
Историю появления процессора в том виде виде в котором мы его знаем сегодня можно разделить на несколько этапов. Это связанно с тем что развитие процессора было напрямую связанно с развитием технического прогресса в области производства электронных компонентов . На сегодняшний момент нельзя сказать что кто то конкретно является изобретателем процессора, ведь вид и устройство современных процессоров это заслуга большого количества людей, инженеров и ученых. Но можно выделить тот первый этап с которого и началось зарождение первого процессора и вычислительных систем на его основе.
В 1930-1940 г. математики Джон Фон Нейман и Алан Тьюринг работали над идеей создания автоматической вычислительной машины - прообраза современного компьютера. Те принципы и алгоритмы работы этой машины которые были ими предложены практически неизменны и по сегодняшний день.^[1]
Вычислительная машина которую они проектировали была необходима для проведения сложных математических расчетов в проекте в котором также был задействован Джон Фон Нейман. Этот проект назывался «Проект Манхэттен»^[2] и являлся сверх секретным проектом США по разработки первой атомной бомбы в период с 17 сентября 1943 года по 9 августа 1945 года , закончившийся сбросом атомной бомбы на город Нагасаки в Японии. Первые вычислительные машины которые строились в период 40-ых годов представляли собой огромные и сложные сооружения не редко занимающие несколько этажей здания в котором они располагались. В качестве логических единиц в этих машинах применялись электромагнитные реле. Недостатком таких машин были: Громоздкость, высокое энергопотребление, сложность обслуживания, и низкая скорость вычислений.
В 1946 году появилась вычислительная машина ENIAC где электромагнитные реле были заменены на электронные лампы (см. рис 1). Машина была в трое быстрее релейных собратьев, но также не была лишена старых недостатков, к тому же электронные лампы часто выходили из строя, что создавало дополнительные сложности при обслуживании.

Рисунок 1 Первый компьютер на электронных лампах ENIAC

Но все изменилось в 1947 г. когда был изобретен полупроводниковый электронный элемент — транзистор^[3], который быстро заменил в первых компьютерах электронные лампы и электромагнитные реле. Основными преимуществами полупроводниковых ЭВМ были: большая компактность по сравнению с ламповыми, низкое энергопотребление, высокая производительность и надежность. Несмотря на все преимущества транзисторные ЭВМ все же были достаточно громоздки и состояли из большого количества блоков каждый из которых состоял из большого количества электронных печатных плат с транзисторами. И на этом этапе пока нельзя выделить процессор как отдельное компактное устройство. Но прогресс не стоял на месте и инженерам удалось сделать транзисторы достаточно компактными чтобы в корпус одного электронного элемента поместить сотни и тысячи транзисторов. Такой электронный элемент назвали — интегральня микросхема.

И наконец в 1971 году небольшой но перспективной компании Intel которая занималась разработкой интегральных микросхем удалось интегрировать вычислительное ядро ЭВМ в всего одну интегральную микросхему. Это была микросхема Intel c4004^[4] ( рис. 2) , которая теперь считается первым процессором. Этот процессор был 4-разрядным и состоял из 2300 транзисторов , рабочая частота была 92,6 кГц а стоимость около 300 долларов. Процессор был спроектирован для применения в электронных калькуляторах по заказу Японской компании Busicom.

Рисунок 2. Процессор Intel 4004

Затем Intel 4004 сменил 8- разрядный процессор Intel – 8080 и 16 — разрядный Intel 8086 , которые заложили основу процессоров всех современных настольных компьютеров..^[5]

1.2. Функции и устройство современного процессора

Современный процессор это достаточно сложное техническое устройство состоящее из миллионов полупроводниковых элементов. Каждый процессор представляет собой набор функциональных блоков количество и назначение которых зависит от архитектуры и назначения отдельного процессора. Но неизменно каждый процессор в своем составе имеет набор основных функциональных блоков (рис. 3), таких как:

• Ядро - Непосредственно сердце процессора которое осуществляет выполнение программных инструкций. Современный процессор может иметь несколько таких блоков.
• КЭШ память -Буфер памяти необходимый для ускорения передачи данных из ОЗУ в ядро. В современных процессорах может быть несколько уровней КЭШ памяти.
• Контроллер ОЗУ — Устройство выполняющее забор данных из ОЗУ (оперативно запоминающего устройства) и передачу их в КЭШ память.
• Контроллер системной шины - Устройство управляющее перемещением данных по системной шине процессора.

Как уже было сказано выше, процессоры в зависимости от производителя архитектуры и назначения , имеют ряд отличий который можно охарактеризовать следующими параметрами:

• Тип микроархитектуры - Внутреннее устройство процессора. Его схема, включающая присутствие или отсутствие тех или иных блоков, их количество и принцип взаимодействия между собой.
• Тактовая частота — Частота с которой процессор способен выполнять инструкции. Непосредственно связана с быстродействием и эффективностью процессора.
• Набор выполняемых команд — Количество и тип программных инструкций который может выполнить ядро процессора.

Рисунок 3 Упрощенная схема процессора^[6]

• Количество уровней и объем КЭШ памяти
• Тип и скорость системной шины — Характеризует устройство и разрядность системной шины а также частоту пропускания данных.
• Разрядность — Размер обрабатываемых данных.
• Наличие контроллера памяти — Устройство обеспечивающее управление доступа к памяти ОЗУ с целью обеспечения ее безопасности.
• Тип поддерживаемой оперативной памяти
• Объем адресуемой памяти - Влияет на объем памяти которую можно подключить к процессору.
• Наличие графического ускорителя — Устройство представляющее собой отдельное вычислительное ядро цель которого снять обязанности по обработке графической информации ,выводимой на монитор или другое устройство, с основного ядра.
• Энергопотребление

1.2.1 Устройство Ядра процессора

Ядро - основной элемент любого процессора также состоящий из набора функциональных блоков которые непосредственно выполняет программные инструкции и прочие вычисления. Ядра процессоров отличаются между собой размером КЭШ памяти, частотой шины, микроархитектурой и.т.д. В ходе развития процессоров инженерам удалось размещать в одном корпусе процессора более одного ядра, что позволило значительно увеличить производительность и скорость вычислений и выполнять несколько задач одновременно.

Ядра процессоров могут отличатся друг от друга но обычно каждый из них имеет в своем составе следующие блоки ( см . Рис 4)^[7]

• Блок выборки инструкций
• Блок предсказания переходов
• Блок декодирования
• Блок выборки данных
• Блока управления
• Блока выполнения инструкций
• Блока сохранения результата
• Блок обработки прерываний
• ПЗУ содержащий микрокод
• Блок регистров
• Счетчик команд

Рисунок 4 Ядро процессора^[8]

Блок выборки инструкций - осуществляет забор инструкций из памяти по адресу указанному в счетчике команд, за один рабочий такт может считывать более одной инструкции что объясняется наличием нескольких блоков декодирования в современных ядрах процессоров.

Блок предсказания переходов- предсказывает будет ли выполнен условный переход в программных инструкциях. Предсказание ветвлений позволяет сократить время простоя конвейера за счёт предварительной загрузки и исполнения инструкций, которые должны выполниться после выполнения инструкции условного перехода. Это действие также ускоряет работу ядра.

Блок декодирования — достаточно сложный модуль, осуществляет преобразование отдельной программной инструкции в ряд сигналов для блока управления. Современные процессоры поддерживают инструкции разной длинны, что значительно усложняет их декодирование. По этой причине длинные инструкции подменяются в самом блоке декодирования на набор более коротких инструкций хранящихся в специально отведенной ПЗУ под эти цели. Также это решение упрощает отладку ядра на стадии разработки, поскольку вместо изменения микроархитектуры модуля, в случае обнаружения ошибки будет достаточно изменить микроинструкции в ПЗУ. Ядра современных процессоров содержат обычно несколько блоков декодирования работающих одновременно.^[9]

Блок выборки данных — в современном ядре процессора может быть более одного блока. Отвечает за выборку данных для отдельной программной инструкции из ОЗУ или КЭШ — памяти.

Блок управления — получает сигналы от блока декодирования и на их основании производит управление блоками выполнения инструкций.

Блок выполнения инструкций- может иметь несколько отдельных модулей в в своем составе в зависимости от производителя, но основными являются:

• ALU (Арифметическое логическое устройство) выполняет арифметические и логические операции над данными команд.
• FPU ( Устройство для выполнения операций с плавающей точкой)

Также некоторые производители добавляют модули для обработки специфических инструкций для ускорения выполнения различных специальных задач:

• MMX (Multimedia Extensions) — инструкции для ускорения кодирования и декодирования потоковых аудио и видио данных
• SSE (Streaming SIMD Extensions) - инструкции для параллельного вычисления над потоковыми данными.
• AES (Advanced Encryption Standard) — инструкции для шифрования данных по одноименному алгоритму.

Блок сохранения результата — сохраняет результат выполнения инструкций по определенному адресу в ОЗУ.

Блок обработки прерываний — прерывания это внешние или внутренние системные события которые требуют незамедлительной обработки. По возникновению такого события блок обработки останавливает текущий процесс выполнения инструкций , далее сохраняет адрес текущей инструкции в регистр хранения, затем выполняет инструкции связанные с прерыванием и вновь возвращается на инструкции по адресу который он сохранил в регистре. События вызывающие прерывания могут быть разные. Например нажатие кнопок мыши и клавиатуры или прерывания операционной системы с помощью которых обеспечивается псевдо-многозадачность.

Регистры -область памяти процессора отличающаяся от ОЗУ в трое быстрым доступом. Служит для хранения промежуточных данных в процессе выполнения инструкций — регистры общего назначения, и для управления работой блоков процессора — регистры специального назначения.

ПЗУ содержащий микро инструкции- блок памяти необходимый для работы дешифратора и содержащий микрокод для упрощения обработки длинных инструкций.

Счетчик команд — регистр памяти который хранит адрес следующей программной инструкции.

1.2.2 Принцип работы Ядра

Принцип работы современного процессора практически соответствует тем идеям которые были предложены еще в 1946 году новатором математиком Джоном Фон Нейманом. Силой которая заставляет процессор начать выполнение программы является тактовый генератор. Тактовый генератор это электронное устройство которое способно генерировать электрические импульсы высокой частоты и точности в периоде. С каждым таким импульсом ядро совершает ряд действий направленных на выполнение программной инструкции. Выполнение одной программной инструкции ядром может занять от одного до нескольких тактов генератора. Ниже приведена упрощенная последовательность действий ядром при выполнении одной программной инструкции:^[10]