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

В современном мире, где информационные технологии так прочно вошли в жизнь человека, мы не можем представить ни одной области деятельности людей без компьютера. Дома, на работе, на учебе - сфера использования постоянно расширяется, сильно влияя на жизнь всего общества в целом и развитие его производственных сил. С течением времени и прогресса развивается и компьютер, изменяются в лучшую сторону его технические характеристики, такие как быстродействие, удобство в работе, стоимость, размеры, количество потребляемой электроэнергии.

В наше время невозможно представить себе, что без компьютеров можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны ограниченному кругу специалистов. Однако в 1971 г. произошло событие, которое совершенно изменило ситуацию и превратило компьютер в повседневный рабочий инструмент миллионов людей. Это событие было таким: фирма Intel, выпустила первый микропроцессор. Это было началом появления нового класса вычислительных систем - персональных компьютеров, которыми теперь пользуются все, от учащихся начальных классов и бухгалтеров до ученых и инженеров. Эти компьютеры, очень маленькие по размеру, выполняют все новые и новые задачи, которые ранее были доступны лишь системам, занимавшим не одну сотню квадратных метров. Наверное, никогда прежде человек не имел в своих руках инструмента, обладающего столь необъятной мощью при столь микроскопических размерах.

Впервые о создании микропроцессора было объявлено в 1972 г. Через 13 лет в 1985 г. в мире уже работали свыше 30 млн. ЭВМ.

Процессор является основным вычислительным блоком компьютера. Он является устройством, исполняющим программу - последовательность команд, задуманную программистом и оформленную в виде модуля программного кода.

На сегодняшний день компьютеры используются во многих сферах: для ведения бухгалтерского учета и создания сложных научных моделей, разработки дизайна и создания музыки, хранения, поиска информации в базах данных, обучения, игр, прослушивания музыки и т.д. Необходимо знать компьютер и уметь им пользоваться. Не каждый человек, который работает на компьютере , представляет себе точный состав ПК.

Актуальность моей работы обусловлена тем, что процессор - это тот узел, который производит всю обработку информации внутри микропроцессорной системы. Остальные узлы выполняют всего лишь вспомогательные функции: хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы), связи с внешними устройствами, связи с пользователем и т.д.

Цель: рассмотрение назначения, функций, классификации процессоров

Объект: процессор персонального компьютера

Предмет: обзор процессоров известных марок

Практическая значимость: более глубокое знание и изучение назначения, основных функций процессора, его основных особенностей, классификации поможет определять при выборе персонального компьютера наиболее функциональный , выгодный с высокой производительностью и подходящий для необходимой области применения процессор.

Задачи:

 изучить литературу по назначению, функции, классификации процессора, ознакомиться с историей создания компьютеров;

 изучить основные виды процессоров, их основные свойства и характеристики;

 разобрать все виды классификации процессоров.

Глава I. Общие понятия и определения о процессоре

1.1. Назначение, функции процессора

Процессор (или центральный процессор, ЦП) - исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем, реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова "микропроцессор". Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших и сверхбольших интегральных схем.

Изначально термин "Центральное процессорное устройство" описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он был перенесён на сами компьютеры.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху развития полупроводниковых элементов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Это позволило использовать эти цифровые устройства в повседневной жизни человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Назначение процессора:

Управлять работой ЭВМ по заданной программе;
Выполнять операции обработки информации.

Микропроцессор (МП) – это огромная интегральная схема, которая реализует функции процессора ПК. Микропроцессор создается на полупроводниковом кристалле (или нескольких кристаллах) путем применения сложной микроэлектронной технологии. Возможности компьютера как исполнителя по работе с информацией определяются системой команд процессора. Эта система команд представляет собой язык машинных команд (ЯМК). Из команд ЯМК составляют программы управления работой компьютера. Отдельная команда определяет отдельную операцию (действие) компьютера. В ЯМК существуют команды, по которым выполняются арифметические и логические операции, операции управления последовательностью выполнения команд, операции передачи данных из одних устройств памяти в другие и прочее.

Основные функции процессора:

чтение и дешифрация команд из основной памяти;

чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

обработка данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

выработка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

Процессор обычно представляет собой отдельную микросхему или же часть микросхемы. Вначале процессор иногда выполнялся на комплектах из нескольких микросхем, но сейчас от такого подхода уже практически отказались. Микросхема процессора обязательно имеет выводы трех шин: шины адреса, шины данных и шины управления.

Самые главные характеристики процессора — это количество разрядов его шины данных, количество разрядов его шины адреса и количество управляющих сигналов в шине управления. Разрядность шины данных определяет скорость работы системы. Разрядность шины адреса определяет допустимую сложность системы. Количество линий управления определяет разнообразие режимов обмена и эффективность обмена процессора с другими устройствами системы.

Кроме выводов для сигналов трех основных шин процессор всегда имеет вывод (или два вывода) для подключения внешнего тактового сигнала или кварцевого резонатора (CLK), так как процессор всегда представляет собой тактируемое устройство. Чем больше тактовая частота процессора, тем он быстрее работает, то есть тем быстрее выполняет команды. Быстродействие процессора определяется не только тактовой частотой, но и особенностями его структуры. Современные процессоры выполняют большинство команд за один такт и имеют средства для параллельного выполнения нескольких команд. Тактовая частота процессора не связана прямо и жестко со скоростью обмена по магистрали, так как скорость обмена по магистрали ограничена задержками распространения сигналов и искажениями сигналов на магистрали. То есть тактовая частота процессора определяет только его внутреннее быстродействие, а не внешнее. Иногда тактовая частота процессора имеет нижний и верхний пределы. При превышении верхнего предела частоты возможно перегревание процессора, а также сбои. Так что с изменением этой частоты надо быть очень осторожным.

1.2. Классификация процессоров

Можно выделить следующую классификацию процессоров:

1) однокристальный;

2) многокристальный;

3) многокристальный секционный.

По числу больших интегральных схем в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных свойств процессора в виде одной большой интегральной схемы или сверхбольших интегральных схем. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде больших интегральных схем. Функциональная законченность больших интегральных схем многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде больших интегральных схем реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями. Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций больших интегральных схем в них добавляются средства "стыковки".

Классификация по назначению

Универсальные микропроцессоры могут применяться для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их производительность мало зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т.д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных.

Классификация по характеру временной организации работы

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

Классификация по количеству выполняемых программ

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

Во много или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

1.3. Основные характеристики процессора

В общем случае процессор содержит:

1) Арифметико-логическое устройство - часть процессора, выполняющая машинные команды

2) Устройство управления – часть процессора, выполняющая функции управления устройствами компьютера

3) Шины данных и шины адресов (на физическом уровне) – много проводные линии с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шины данных и шину управления: Шина адреса предназначена для передачи адреса того устройства (или той ячейки памяти), к которому обращается процессор. По шине данных передаётся вся информация при записи и считывании. По шине управления передается управляющий сигнал. Процесс взаимодействия процессора и памяти сводится к двум операциям – записи и считывания информации. При записи процессор по специальным проводникам (шина адреса) передает биты, кодирующие адрес, по другим проводникам – управляющий сигнал «запись», и еще по другой группе проводников (шины данных) передает записываемую информацию. При чтении по шине адреса передается соответствующий адрес оперативной памяти (ОП), а с шины данных считывается нужная информация.