Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора. (АРХИТЕКТУРЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Создание персонального компьютера (ПК) относится к одному из самых значительных изобретений прошлого столетия. С введением в массовую эксплуатацию компьютеров изменились процессы практически во всех сферах жизни общества: образовании, медицине, в промышленности и сельском хозяйстве, а также в деятельности целых государств. Практически все элементы международной коммуникации на данный момент зависят от компьютерного обеспечения, будь то торговля, банковское или даже военное дело. Все это говорит о том, что персональный компьютер является ядром полноценной жизни в информационном сообществе, а также успешной профессиональной деятельности человека. Сейчас нам трудно представить мир без возможности преобразования, обработки и передачи данных на таком уровне, который обеспечивают мощности современных ПК. Такие возможности компьютеров обусловлены развитием и совершенствованием их центральной части – процессора, способного совершать миллиарды операций в секунду.

Центральный процессор персонального компьютера – это электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции, главная часть аппаратного обеспечения компьютера.

Так как процессор является центральным вычислительным элементом любого компьютера, вся работа используемых нами персональных компьютеров базируется на нём.

Таким образом, значение центрального процессора как главного устройства компьютера для современного человека крайне велико, что обуславливает выбор темы курсовой работы.

Объект курсовой работы – процессор персонального компьютера.

Предметом работы выступают характеристики процессора персонального компьютера: его назначение и выполняемые им функции, а также классификация процессоров в зависимости от конкретных характеристик.

Целью данной работы является изучение процессора персонального компьютера как основного его элемента.

Для достижения целей работы необходимо выполнить следующие задачи:

1. Исследовать основные понятия, определяющие работу центрального процессора, его назначение;
2. Определить функции, выполняемые процессором;
3. Изучить основы устройства процессоров, принципы их работы, ключевые параметры и особенности;
4. Описать основные характеристики процессоров;
5. Составить классификацию современных процессоров.

Написание курсовой работы базируется на изучении теоретических учебных материалов, имеющихся в открытом доступе в сети Интернет и государственных библиотеках. В качестве основного источника информации был выбран энциклопедический систематизированный словарь-справочник «Введение в современные информационные и телекоммуникационные технологии в терминах и фактах» Феликса Семёновича Воройского. Выбор данного справочника обусловлен тем, что его структура и содержание позволяют систематизированно изучить необходимые материалы, касающиеся процессора персонального компьютера и получить полную и достоверную информацию о нём.

Выводы о надёжности источника и достоверности информации в нём можно сделать на основании следующих фактов:

1. Справочник составлен кандидатом технических наук, профессором Ф.С. Воройским, ныне работающим в Государственной публичной научно-технической библиотеке России.
2. Основной ресурс, в котором были опубликованы данные материалы – это Издательство физико-математической и технической литературы, ведущее научное академическое издательство, которое выпускает учебную литературу для ВУЗов, ВТУЗов и организаций дополнительного образования, а также научную и справочную литературу во всех областях физики и математики. 

На основании данного справочника строилась логика работы и формировалась основная база знаний по предмету курсовой работы, необходимая для оценки также и других источников информации. Помимо словаря-справочника для формирования основных понятий и суждений относительно процессоров использовались следующие источники:

1. Новейший самоучитель работы  на компьютере авторов А. Алексеева, Г. Евсеева, В. Мураховского и С. Симоновича, дающий подробную информацию об аппаратном обеспечении персонального компьютера в целом и устройстве процессора в частности;
2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей "Автоматизация и управление" А.В. Кузина и С.А. Песковой.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССОРЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

1.1 История создания

Впервые о процессорах стало известно в 1950-х годах. Они состояли из электромеханических реле, ферритовых сердечников и вакуумных ламп, которые устанавливались в модули, собранные в стойки. Большое количество таких стоек соединялось проводниками и представляло собой процессор того времени. Затем в качестве элементов процессора использовали электронные лампы и транзисторы, которые монтировались на платы, по виду уже близкие к современным.

Все компоненты отвечали за процесс вычисления и были очень массивными, так как процессоры создавались в виде уникальных составных частей для таких же уникальных и даже единственных в своём роде компьютерных систем. Позднее производители начали задумываться о переходе от узкоспециализированных процессоров к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Благодаря расположению элементов процессора на одной микросхеме можно было создать устройство, которое подходило бы для использования на самых разных  видах оборудования, применяемых для совершения вычислительных процессов.

Идея была реализована в конце шестидесятых годов двадцатого века. Компания Busicom начала разработку своего нового настольного калькулятора, для чего она заказала 12 микросхем у компании Intel. Разработчики Intel увидели возможность значительно сэкономить на соединении нескольких микросхем в единое целое и в 1971 году создали первый в мире микропроцессор под названием Intel 4004^[1], он изображён на рисунке 1.1. У него была способность совершать сразу шесть десятков тысяч операций всего за одну секунду.

Рисунок 1.1 – Первый в мире микропроцессор Intel 4004.

Первое официальное сообщение о создании микропроцессора появилось в 1972 г.

С середины 1980-х годов микропроцессоры стали значительно преобладать над прочими видами процессоров, вследствие чего данный термин всё чаще и чаще воспринимался просто как синоним слова «процессор». Однако, по своей сути это далеко не одно и то же, ведь даже сейчас центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров  являются сложными комплексами больших и сверхбольших интегральных схем.

На момент создания первого микропроцессора ещё не было возможности использовать его для компьютеров, поскольку таковых попросту не существовало, сфера его применения ограничивалась терминалами и программируемыми калькуляторами. По это причине изначально понятие «центральное процессорное устройство» относилось к специализированному классу логических машин, которые были предназначены для реализации сложнейших трудоёмких компьютерных программ. Позднее, из-за соответствия этих задач функциям компьютерных процессоров того времени, это понятие было перенесено и на компьютеры.

Следующим шагом в развитии микропроцессоров стало создание в 1974 году Intel 8080. Новый 8-битный процессор содержал уже 6000 транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти^[2]. Кроме того, это был первый микропроцессор, который мог делить числа. Именно он стал основой для создания первого персонального компьютера Altair 8800. 

С течением времени структура, архитектура и исполнение самих процессоров много раз подвергались изменениям и доработкам, но основное его предназначение до сих пор остаётся прежним.

1.2 Назначение процессора и основные понятия, определяющие его работу

Процессор (центральное процессорное устройство – Central Processing Unit, CPU) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой^[3]. Программа прописывается кодами операций - двоичными кодами, составленными из последовательностей нулей и единиц, и хранится в оперативном запоминающем устройстве компьютера (ОЗУ). Коды операций, в свою очередь, считываются и интерпретируются непосредственно процессором вычислительной машины.

Процессор управляет последовательностью вычислений и координирует работу всех остальных устройств компьютера. Другими словами, центральный процессор персонального компьютера (ПК) - это главная часть аппаратного обеспечения компьютера или другой специальной электронной вычислительной машины. Без команды, отданной процессором, не может быть произведена даже такая простая операция, как сложение двух чисел или запись одного мегабайта информации - все эти действия требуют немедленного обращения к ЦП^[4].

Внешне он представляет собой небольшую пластину из полупроводникового материала, чаще всего кремния, с вмонтированной в неё интегральной схемой или так называемой микросхемой.

Один из современных микропроцессоров марки Intel представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Современный центральный процессор персонального компьютера Intel.

Микросхема или чип — это электронное вычислительное устройство, обрабатывающее информацию, представленную в виде двоичного кода. Микросхемы работают на основе транзисторов — радиоэлектронных элементов, управляющих входящим электротоком^[5].  Количество таких транзисторов в одном обычном чипе может достигать нескольких миллионов, вплоть до миллиарда. Размеры транзисторов диктует так называемый техпроцесс процессора - масштаб технологии, непосредственно определяющий размеры элементов, которые составляют основу внутреннего строения процессора.

Ядро, используемое в том или ином чипе – это часть процессора, выполняющая один поток команд. Оно определяет его производительность, энергопотребление и тактовую частоту. Процессоры, содержащие на одном кристалле или в одном корпусе несколько ядер, называются многоядерными^[6]. 

1.3 Характеристики процессоров

Основными характеристиками центрального процессорного устройства являются:

1. производительность;
2. тактовая частота
3. разрядность процессора;
4. количество ядер;
5. сокет (разъём);
6. размерность технологического процесса;
7. кэш-память процессора;
8. встроенное графическое ядро;
9. рабочая температура процессора;

Поочерёдно рассмотрим каждую характеристику.

1. Производительность

Производительность компьютера или, как её называют, вычислительная мощность характеризует быстроту исполнения некоторых операций на компьютере. Это интегральная характеристика, которая зависит от показателей частоты процессора, его разрядности, а так же особенностей архитектуры (наличия кэш-памяти и др.)^[7]. Производительность нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, т.е. определения скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

Как правило, она измеряется в так называемых «флопсах^[8]» (англ. FLOPS - FLoating-point Operations Per Second), которые представляют собой количество операций с плавающей запятой за определённое количество времени, чаще всего в секунду, а также производными от неё.

2. Тактовая частота.

Данная характеристика представляет собой количество операций, которые может выполнить процессор за определённый промежуток времени, измеряется в Герцах. Один герц - это скорость, при которой одна операция выполняется за одну секунду, а скорость современного компьютера измеряется в гигагерцах. 1 ГГц – это скорость, с которой процессор выполняет миллион простых задач.  Чем больше операций или тактов процессор выполняет за одну секунду, тем выше его производительность^[9].Тактовая частота заметно сказывается на быстроте работы ПК, но это не единственная метрика, которая влияет на его производительность. 

3. Разрядность процессора.

Разрядность - это конечное количество разрядов двоичного числа, над которым разово может производиться машинная операция передачи какой-либо информации. Таким образом, данный параметр определяет, какое количество бит информации обрабатывают регистры процессора за период одного такта. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет размер 2 байта, то разрядность процессора равна 16(8*2); если 4 байта, то 32, если 8 байт, то 64. Сейчас общая масса выпускаемых процессоров представлена в двух вариантах архитектуры регистров: 32 и 64 бита^[10], а подавляющее большинство мощных процессоров имеют разрядность в 64 бита и поддерживают от 4 гигабайт ОЗУ и выше^[11]. Эта характеристика также является одной из главных.

4. Количество ядер;

Ядро представляет собой часть процессора, способную выполнять один поток команд. Ядра отличаются по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. д. С развитием технологий производства процессоров появилась возможность размещать в одном корпусе более одного ядра, что значительно увеличивает производительность ЦПУ и помогает выполнять несколько задач одновременно, а также использовать несколько ядер в работе программ. Многоядерные процессоры быстрее справляются с архивацией данных, декодированием видео, работой современных видеоигр и т.д. На данный момент доступны процессоры с 2, 3, 4, 6 и даже 8 и более ядрами, но большое их количество используется в серверных решениях и не требуется рядовому пользователю ПК.