Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Принцип однородности памяти).pdf
Добавлен: 31.03.2023
Просмотров: 83
Скачиваний: 1
ВВЕДЕНИЕ
Персональный компьютер (ПК) представляет из себя сложное устройство с большим количеством различных модулей и блоков, без которых работа пока в целом либо невозможно, либо серьезно ограничена. Однако основной устройства ПК является микропроцессор. Это блок в котором происходят основные преобразования и действия над данными. В настоящее время сложно найти сферу деятельности человека, где бы не были задействованы устройства на основе микропроцессорной техники.
Актуальность данной работы обусловлена значимостью в современном мире вычислительной техники в целом и микропроцессоров в частности. Микропроцессорная техника контролирует работу современного промышленного оборудования, инженерных систем, коммуникаций. Является неотъемлемой частью «высоких» технологий и, в то же время, активно проникает в привычные нам бытовые вещи. Берёт на себя трудоемкие расчёты, что позволяет существенно сократить временные затраты на разработку, опробацию и внедрение различных систем, устройств, механизмов, обработку больших объемов данных научных исследований, моделирование и проверку фундаментальных теорий и гипотез. Поэтому очевидно, что развитие практически всех сфер деятельности человека напрямую зависит от производительности компьютерных систем и в частности микропроцессоров.
Микропроцессор - это сложнейшее микроэлектронное устройство, несущий в себе самые передовые достижения в области создания микроэлектронных устройств. Для данной отрасли характерно жесткая конкуренция, значительные суммы бюджетов, требующиеся для постоянных научных, конструкторских и технологических изысканий. Разработка микропроцессорной техники неразрывно связана с самыми передовыми научно-техническими достижениями в таких областях как физика, математика, электроника, кибернетика.
Целью данной курсовой работы является рассмотрение устройства, назначения и характеристик процессоров персональных компьютеров. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- раскрыть основные понятия темы;
- рассмотреть историю развития микропроцессоров персональных компьютеров;
- рассмотреть структуру и основные характеристики микропроцессоров персональных компьютеров;
- дать общую схему классификации микропроцессоров;
- обозначить тенденции развития технологий микропроцессоров.
История создания
В общем смысле, назначение процессора заключается в том, чтобы выполнять операции над некоторыми данными, то есть заниматься их обработкой.
Обработка данных это систематизированное последовательность операций, совершаемых с данными для получения новой информации путем вычисления и преобразования имеющейся информации.
Потребность человечества в облегчении процессов действий над числами зародилась достаточно давно.
Абак, также более известный нам как счёты, появился на свет около 500 года до нашей эры. Право считаться его родиной оспаривает Древняя Греция, Индия, Китай, государство Инков.
Следующим этапом в развитии вычислительных устройств можно считать 1623 год, когда немецкий астроном и математик Вильгельм Шиккард сконструировал «считающие часы» крайне сложный и громоздкий механизм, который мог производить простейшие вычисления. Пользоваться ими было крайне неудобно и сложно, что нашло отражение в шутке друга Шиккарда знаменитого астронома Иоганна Кеплера, который сказал, что гораздо проще произвести вычисления в голове, чем использовать «считающие часы», но тем не менее, именно он стал первым пользователем «считающих часов» и сделал с помощью них ряд своих расчётов.
В дальнейшем всевозможные считающие механические устройства стали появляться значительно чаще и быстрее. В течение 17 века свои устройство изобрели французский математик и физик Блез Паскаль и немецкий математик Готфрид Лейбниц.
В восемнадцатом веке попытки усовершенствовать вычислительные машины предпринимались неоднократно, но успех сопутствовал французу Шарлю Ксавье Тому де Кальмару, который создал так называемую «машину Тома». Это было первое коммерчески успешное вычислительное устройство, запущенное в 1820 году в серийное производство.
В целом, все эти устройства объединяли схожие принципы построения на основе часовых механизмов.
Следующим серьезным шагом в развитии вычислительных устройств стало создание перфокарт. Изобретение связывают с именем французского ткача Жозефа Мари Жаккара, который создал их для управления ткацким станком. При том, что изобретение Жаккара не было электронным устройством, в дальнейшем оно получило широкое распространение именно в первых электронных вычислительных машинах.
В 1835 году Чарльз Бэббидж описал аналитическую машину в основе работы которой лежали именно перфокарты.
Но все эти устройства были, строго говоря, механические. Первую аналоговой машину для вычислений в 1927 году представил Буш Вэнивар - американский ученый и инженер. Это был, так называемый, «дифференциальный анализатор», способный решать дифференциальное уравнение первого порядка с 18 независимыми переменными.
Следующим шагом в развитии вычислительных машин стала Z1 немецкого инженера Конрада Цузе. Она представляла из себя первую программируемую вычислительную машину. Дальнейшие работы Цузе нашли отражение в модели Z3. К сожалению, Z1 была уничтожена во время бомбардировок Берлина в 1945 году, вместе с ней погибли и чертежи Цузе.
Массовое производство компьютеров и вычислительных устройств началось уже после Второй Мировой войны.
Первые аналоговые вычислительные машины середины XX века строились на электромеханических реле и электронных лампах. С развитием полупроводниковой электроники их сменили транзисторы. Низкая надежность в сочетании с высоким энергопотреблением, низким быстродействием и незначительным количеством выполняемых операций наложили серьезные ограничения на их массовое применение.
Развитие полупроводниковых технологий послужило основой для создания интегральных микросхем. Нет единого мнения по вопросу кто же был первым в создании кристального процессора, но точно известно кто был первым выпустившим коммерчески успешный продукт.
В конце шестидесятых годов XX века японской компании Busicom заключила контракт с американской компанией Intel на разработку микросхем для своего нового продукта - настольного калькулятора. Итогом этого сотрудничества стало создание микропроцессора получившее название Intel 4004. Он был выпущен в 1971 году и стал первым коммерческим однокристальнным микропроцессором. Он представлял из себя 4 битный процессор, с технологическим процессом 10 000 нанометров, тактовой частотой 0,74 Мгц. Микросхема объединяла в одном корпусе 2300 транзисторов, потребляла 0,5 Вт энергии и питалась напряжением 15 В.
Рис.1. Intel C4004.
Рис.2. Intel C4004 под микроскопом.
Компанию Intel 18 июля 1968 года основали Роберт Нойс и Гордон Мур, в дальнейшем к ним присоединился Энди Гроув. Но именно Гордон Мур в 1965 году будучи химиком и занимая должность директора по научно-исследовательской работе Firechild обратил внимание на то, что благодаря развитию литографии число транзисторов на кристалле увеличивается экспоненциальному темпами. В том же году он представил внутренний доклад «Будущее интегральной электроники», основу которой составляла аналитика числа компонентов интегральных схем и их минимальные цены в период с 1959 по 1964 год, а также прогнозы развития на следующие 10 лет. Данные прогнозы основывались на том, что число компонентов на кристалле будет удваивается каждый год. В дальнейшем данный доклад в переработанном виде был опубликован в журнале Electronics 19 апреля 1965 года. Впоследствии данные предположения получили название закон Мура.
Состоятельность данного закона неоднократно пытались оспорить, причём дважды в его объективности сомневался сам Гордон Мур. Однако данный закон выполняется и по сей день.
Главной проблемой данного закона является то, что он предсказывает лишь скорость роста количества компонентов микропроцессора, но не отражает роста его производительности, которая происходит за счёт совершенствования архитектуры, увеличения числа ядер, параллельного выполнения команд, увеличения разрядности внутренних шин, переноса на кристалл процессора кэш-памяти различных уровней и контроллеров управления оперативной памятью и иных устройств.
Единственное, что реально ограничивает данный закон при данной технологии производства микропроцессоров - это атомарный природа структуры вещества и дискретность света.
Рис.3 Иллюстрация закона Мура
Чтобы оценить величину прогресса, для примера можно привести топовый микропроцессор 9-го поколения от компании Intel для персональных компьютеров i9-9980XE Extreme Edition. Его выпуск запланирован на 4й квартал 2018 года. Он выполнен по технологии 14 нанометров, имеет количество ядер 18, базовую тактовую частоту 3 гигагерца, максимальную тактовую частоту 4,5 гигагерца, мощность рассеяния 165 Вт и количество транзисторов более 2 млрд.
Компания TSCM, производитель чипов для NVIDIA, а с 2019 года и для AMD, анонсировала 7 нанометровая технологию.
Дальнейшее развитие микропроцессоров связывают с открытием новых веществ таких как, например, графен, и с принципиально новыми технологиями передачи информации такими как квантовая технология.
Архитектура ПК
Различают две архитектуры на основе которых строится ЭВМ, это гарвардская архитектура - отличительным признаком которой является отдельное хранение инструкций и данных, а также раздельные каналы для передачи инструкций и данных.
Альтернативой ей является неймановская архитектура. Согласно этому принципу данные и команды хранятся совместно в памяти компьютера. Все современные ПК строится на основе архитектуры фон Неймана.
Джон фон Нейман венгро-американский математик еврейского происхождения, заложивший основы учения об архитектуре вычислительных машин в 1944 году, в период своей работы над созданием первого в мире лампового компьютера ENIAC.
Данное учение можно сформулировать в виде нескольких принципов:
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. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.
Принцип адресности
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причём 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.