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

Глава 2. Назначение процессора

Центральный процессор — самая важная часть аппаратного обеспечения персонального компьютера, представляет собой программируемый логический контроллер, отвечающий за реализацию вычислительного процесса. [2]

Центральный процессор персонального компьютера выполняется в виде отдельного чипа (интегральной микросхемы со сверхвысокой степенью интеграции элементов) и реализует все функции, присущие данного рода устройствам. Такие радиоэлектронные элементы называются микропроцессорами.

Микропроцессоры ПК отвечают требованиям технологии вычислений со сложным набором команд. Во время вычислений центральный процессор считывает последовательность команд, содержащихся в ОЗУ, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и определяет алгоритм полезной работы микропроцессора.

Очередность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, тогда адрес следующей выполняемой команды может оказаться другим, отличным от адреса следующей команды в памяти.

Центральный процессор предназначается для обработки программного кода. Другими словами, назначение процессора заключается в том, чтобы выполнять все операции, связанные с обработкой данных, а также управление работой различных периферийных устройств.

Как правило, этот процесс разбивается на следующие этапы:

• из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;
• выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;
• устройство управления расшифровывает адресное поле команды;
• по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;
• УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;
• результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;
• все предыдущие этапы повторяются до достижения команды "стоп". [8]

А теперь более подробно рассмотрим, как выполняется кусочек программы, в котором есть все то же сложение двух чисел. Итак:
1. Устройство управления смотрит, что находится в счетчике команд. 
2. Набор из ноликов и единичек из соответствующей ячейки ОЗУ записывается в регистр команд. В процессе его декодирования устройство управления распознало команду вызова другой ячейки оперативной памяти в сумматор. 
3. Номер ячейки - первого операнда (первого слагаемого) - записывается в регистр адреса. 
4. Устройство управления считывает данные из оперативной памяти, согласуясь с регистром адреса, в сумматор. 

Выборка и выполнение первой команды закончились. К этому времени счётчик команд автоматически увеличивается на 1. 
1. Устройство управления переписывает содержимое следующей ячейки оперативной памяти, на которую указывает счётчик команд, в регистр команд. 
2. Это оказалась команда сложения сумматора с ячейкой оперативной памяти. Её адрес располагается в регистре адреса, который уже изменился в процессе декодирования команды сложения устройством управления. 
3. Данные из оперативной памяти из ячейки, на которую указывает регистр адреса, считывается и складываются с сумматором. Результат остается в сумматоре. 
Закончились выборка и выполнение второй команды. Получена сумма двух чисел, и она располагается в сумматоре... И так далее. Операция выборки-выполнения называется ещё циклом выборки-выполнения, или машинным циклом. 

Глава 3. Функции процессора

Процессор выполняет очень важную функцию в компьютере. От мощности процессора зависит то, насколько хорошо себя проявят остальные компоненты. Если мощности процессора не хватает для того, чтобы стабильно грузить приложение или игру, то видеокарта также не сможет проявить себя.

Разберем, что делает центральный процессор:

• • выборка (чтение) выполняемых команд;
  • ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;
  • вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;
  • обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;
  • адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;
  • обработка прерываний и режима прямого доступа.

Это основные функции ЦП. Все эти функции он выполняет каждую секунду своей работы, обеспечивая стабильную работу компьютера.

Глава 4. Классификации процессора

4.1 По типу

Цифровые процессоры

Цифро-аналоговый преобразователь (цифровой процессор) предназначен для переработки получаемого цифрового сигнала от того или иного устройства в аналоговый. Сфера применения цифровых преобразователей очень широка. Самым простым примером будут проигрыватели компакт-дисков, в которые вмонтированы элементы данного типа. Выделяют различные типы аналоговых процессоров: широтно-импульсные модуляторы, ЦАП взвешивающего типа, передискретизации и проч. Поскольку такие процессоры находятся в начале аналогового тракта любой системы, то ее характеристики во многом зависят от показателей ЦАП. [5]

Аналоговые процессоры

Здесь все обстоит ровным счетом наоборот: аналоговый сигнал трансформируется в цифровой. По типу преобразования выделяют два вида аналогово-цифровых преобразователей АЦП: линейные (встречаются чаще всего) и нелинейные.   Область применения устройств данного формата также широка. В частности, это звукозаписывающее оборудование, ПК, видеокамеры, отдельные приборы для радиопередачи данных и проч. [5]

Процессоры с многозадачной (нечеткой) логикой

В английском для этого применяется термин fuzzy logic. Их работа строится на базе нечеткой математики, которая позволяет работать с входными данными, постоянно меняющимися во времени, то есть с такими, параметры которых нельзя задать однозначно.

Для этого система сначала анализирует имеющиеся численные данные (например, результаты социологического опроса или информацию, полученную от измерительного устройства) и переводит их в нечеткий формат (фаззирует). Далее она обрабатывает данные по установленным правилам и после этого путем дефаззирования переводит информацию в привычный вид и выдает готовые результаты работы. Возможности fuzzy logic процессоров хотя и не безграничны, но все же достаточно привлекательны для того, чтобы использовать их в самых разных областях, в частности, для эффективного решения некоторых задач NASA.

4.2 По торговой марке

Ключевыми марками, занимающимися выпуском процессоров для ПК, являются Intel(рис.2) и AMD(рис.3). Долгое время между этими двумя крупными компаниями идет нешуточная борьба за лидерство на рынке. А поскольку продукты и одного, и второго бренда очень качественные, говорить о том, процессор чьего производства лучше, очень сложно. В каждом отдельном случае приходится сравнивать схожие модели устройств от разных марок между собой. В каких-то случаях выигрывает Intel, а в каких-то лавры отдаются AMD. [7]

Также существуют процессоры IBM(рис.4), однако не так давно, осенью 2014 года компания объявила о своем намерении передать данную сферу производства компании GlobalFoundries. За собой же известный бренд сохранит право на дальнейшие разработки в области многообещающих процессоров нового поколения линейки Power.

Рис.2. Процессор серии Intel.

Рис.3. Процессор серии AMD.

Рис.4. Процессор серии IBM.

4.2.1. Таблица сравнительной характеристики Intel и Amd.

Табл.1. AMD и Intel

В настоящее время большинство людей хочет приобрести лучшие процессоры, но цена данных процессоров высокая. Поэтому я взял для сравнения два процессора в средней ценовой категории.

Зачастую люди выбирают процессоры для определенного вида задач.

Например, процессоры марки AMD подходят для видеомонтажа, рендеринга в 3d-моделировании и для того чтобы от процессора была высокая отдача при работе в ресурсоемких программах. Intel, в свою очередь, подходит для пользователей-геймеров (для игр). Однако, процессоры AMD стоят на порядок дешевле, поэтому эти процессоры покупают и для игр тоже.

4.3 По техническим параметрам

Говоря про то, какие есть процессоры в зависимости от их характеристик, можно выделить группу очень мощных устройств, средние по своим возможностям процессоры, а также достаточно слабые устройства, которые подойдут только для выполнения базовых задач (в случае с ПК это будет серфинг в интернете, работа с Microsoft Office, видео- и аудиофайлами). Ключевыми параметрами процессора являются:

• Разрядность. Это показатель, который определяет число бит информации, анализируемых процессором за одну операцию. Соответственно, чем этот показатель выше, тем лучше. Бывают 32-, 64- и 128-битные процессоры.
• Тактовая частота – темп выполнения операций. Другими словами, это показатель быстродействия устройства. Измеряется данный показатель в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц). Разброс в данных достаточно большой – от 900 МГц до 4 ГГц. Естественно, процессоры с последним показателем являются самыми скоростными.
• Количество ядер (2, 4, 6, 8, 10, 12). Данный показатель во многом определяет степень многозадачности ПК. Однако большое количество ядер еще не означает, что ваш процессор будет значительно эффективнее своих «менее ядерных» конкурентов, поскольку сегодня далеко не каждая программа, написанная для ПК, учитывает данный показатель.
• Кэш-память. Она необходима процессору для хранения временных данных, получаемых в процессе выполнения задач. Данный параметр позволяет ПК не дожидаться отклика оперативной памяти, а работать на основе той информации, которая хранится в кэш-памяти процессора. Это положительно сказывается на производительности. [9]
• Энергопотребление. Чем больше количество ядер и частота процессора, тем больше его энергопотребление. Так же энергопотребление сильно зависит от техпроцесса изготовления. Чем техпроцесс тоньше, тем энергопотребление ниже. Современные процессоры потребляют от 25 до 220 Ватт. Этот параметр можно прочесть на их упаковке или на сайте производителя.
• Рабочая температура процессора. Максимально допустимая температура полупроводникового кристалла или поверхности процессора, при которой возможна нормальная работа. Температура процессора зависит от его загруженности и от качества теплоотвода. Многие современные процессоры могут обнаруживать перегрев и ограничивать собственные характеристики в этом случае.
• Тепловыделение процессоров и отвод тепла. Для теплоотвода от микропроцессоров применяются пассивные радиаторы(рис.5) и активные кулеры(рис.6), а так же еще существует водяное охлаждение (рис.7). 

Рис.5. Пассивный радиатор

Рис.6. Кулер

Рис.7. Водяное охлаждение

4.4 Уход за процессором.

Для долгой работоспособности процессора следует не забывать о должном уходе за ним:

1. Давать задачи в соответствии с его техническими характеристиками;
2. Соблюдать должную температуру в процессе работы, не превышающей его критическую температуру (рис.8);
3. Устанавливать охлаждение в соответствии с его техническими характеристиками;
4. Своевременно менять термопасту (рис.9);
5. Проверять наличие засорения системы охлаждения (рис.10).

Рис.8. Температура процессора.

Рис.9. Термопаста.

Рис.10. Засоренная система охлаждения.

Заключение

Для достижения цели были выполнены все поставленные задачи.

В первой главе мы разобрали понятие процессора, его устройства и характеристики. Изучили принцип работы каждой составной части процессора (детали). Также рассмотрели все характеристики центрального процессора, включая: рабочее напряжение, разрядность процессора, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты, размер кэш-памяти.

Во второй главе мы рассмотрели все аспекты работы процессора, подробно изучили для чего он нужен, и как происходит процесс его работы.

В третей главе мы узнали какие функции выполняет центральный процессор. Из новой полученной информации мы можем выделить такие основные функции, как:

• • выборка команд;
  • ввод данных
  • вывод данных
  • обработка данных
  • адресация памяти
  • обработка прерываний и режима прямого доступа.

В четвертой главе мы рассмотрели классификации процессоров по типу,

по торговой марке, по техническим параметрам.

Исходя из полученных знаний, мы можем сделать вывод о том, что процессор персонального компьютера является главной составной частью, без которой компьютер не смог бы работать. Процессор выполняет самую главную работу по обработке данных, все вычислительные действия и кооперирует работу всех составных частей компьютера.