Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик).pdf
Добавлен: 06.04.2023
Просмотров: 241
Скачиваний: 2
ВВЕДЕНИЕ
Компьютер – это универсальное устройство, которое может управлять другими устройствами по специальному алгоритму, сохраненному в собственной внутренней памяти. Запись алгоритма для компьютера называется программой. В состав любого компьютера входит процессор, это основа компьютера, его «мозг». Процессор выполняет все вычисления и управляет всеми остальными компонентами компьютера. Также обязательной частью любого компьютера является оперативная память. В оперативной памяти хранится как сама программа, по которой производятся вычисления так и сами обрабатываемые данные. В состав компьютера обязательно входит шина – набор проводников по которым передаются сигналы управления и данные между составными частями компьютера. В составе компьютера может быть одна шина или несколько. К шине подключаются внешние устройства. Наиболее распространенные это жесткий диск, клавиатура, мышь, монитор, сетевая карта, модем и другие. Ни одно из внешних устройств не является обязательным, но какие-то внешние устройства всегда присутствуют, так как через них происходит связь компьютера с внешним миром.
Процессор является основой любого компьютера. Это сверхбольшая интегральная микросхема, содержащая внутри миллионы транзисторов. Современные процессоры чрезвычайно сложны и могут содержать несколько уровней описания и построения.[1]
Целью данной курсовой работы является изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик центрального процессора.
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
На протяжении всей истории развития человечество изобретало, совершенствовало и развивало технические средства для проведения вычислений и обработки данных. Одними из первых средств для проведения вычислений были счетные палочки, которые до сих пор используются в дошкольных учреждениях для обучения счету. Постепенно средства для проведения вычислений становились все более сложными и позволяли производить большее количество операций, появились счетные доски (абак), счеты, логарифмическая линейка, арифмометр и наконец, компьютер.
Первая счетная машина была изобретена французским математиком Блезом Паскалем в 1642 году, она могла выполнять только операции сложения и вычитания. В 1673 году немецкий математик Готфрид Лейбниц создал прототип арифмометра, который мог выполнять все четыре математических действия.[2]
В 1854 году Джордж Буль написал работу, в которой описал своеобразную алгебру – систему обозначений и правил, применяемую к различным объектам. Этот раздел математической логики впоследствии назовут булевой алгеброй. Пользуясь этой системой можно закодировать высказывания с помощью специального языка, а затем манипулировать ими как в математике обычными числами. Основные операции этой системы И, ИЛИ и НЕ.[3]
В 1936 году английским математиком Аланом Тьюрингом, для формализации понятия алгоритма, была предложена абстрактная вычислительная машина, названная впоследствии машиной Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой простейшую вычислительную машину, но несмотря на простоту на ней можно вычислить все, что можно вычислить на любой другой машине, осуществляющей вычисления с помощью последовательности элементарных действий.[4]
В 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом были сформулированы общие принципы, составляющие основу архитектуры большинства компьютеров. Общие принципы фон-неймановской архитектуры следующие: принцип программного управления – из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности; принцип однородности памяти – программы и данные хранятся в одной и той же памяти; принцип адресности – основная память состоит из пронумерованных ячеек, так что процессору в любой момент времени доступна любая ячейка. Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей: памяти, арифметико-логического устройства, устройства управления, а также устройств ввода-вывода.[5]
В нашей стране, независимо от фон Неймана, Сергеем Алексеевичем Лебедевым были сформулированы более детальные и полные принципы построения электронных вычислительных машин.[6]
В 1940-х годах двадцатого века создаются первые электронно-счетные машины. Первые электронно-счетные машины изготавливались на лампах и реле, занимали огромные площади, потребляли большое количество энергии, имели малое быстродействие и низкую надежность. Развитие полупроводниковой электроники способствовало появлению интегральной технологии, появлению больших и сверхбольших интегральных микросхем, что позволило революционно повысить быстродействие и надежность, значительно уменьшить габариты и потребляемую мощность электронно-вычислительных машин. В 1974 году фирма Intel разработала первый универсальный 8-разрядный микропроцессор. В 1976 году был создан первый персональный компьютер, содержащий, ставшим традиционным, набор функциональных узлов: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода-вывода, системную шину, источник питания. Персональный компьютер представляет собой наиболее развитый класс микропроцессорных систем. Несмотря на то, что первый персональный компьютер выпустила фирма Apple, сейчас в основном персональными компьютерами называют IBM PC-совместимые компьютеры. Это связано с тем, что фирма IBM не скрывала принципов устройства своих компьютеров и не патентовала основных решений. В результате большинство производителей стали выпускать совместимые компьютеры, фактически они стали стандартом для персональных компьютеров.[7]
ГЛАВА 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ
Универсальный, то есть процессор позволяющий производить все вычисления микропроцессор, предназначенный для выполнения в ЭВМ основных функций управления работой других узлов компьютера и функций обработки данных, называется центральным процессором — CPU (Central Processing Unit). Микропроцессоры, которые предназначаются для выполнения специальных задач, называются сопроцессорами — FPU (Function Processing Unit). Для сопроцессоров характерно наличие расширенного набора регистров специализированных команд и типов данных, которые позволяют облегчить программирование и ускорить выполнение специализированных операций. В названии сопроцессора, как правило, отражается его специализация, например, математический сопроцессор, используется для выполнения математических операций, графический ускоритель (сопроцессор) применяется для вывода изображения на экран. Математический сопроцессор, специально оптимизирован для работы с определенным типом центрального процессора и производит вместо него основной объем арифметических, тригонометрических, логарифмических и экспоненциальных операций, производя эти операции с большой скоростью. Графический сопроцессор обеспечивает большую производительность при обработке трехмерной графики и построения на экране быстро изменяющихся изображений.[8]
Чтобы классифицировать микропроцессоры применяется несколько признаков, главными из которых являются:
- Применяемое количество больших интегральных схем, на которых реализован процессор. Существуют однокристальные, многокристальные и многосекционные микропроцессоры. В однокристальном микропроцессоре все устройства выполнены в одном корпусе, на одном кристалле кремния, и он представляет собой функционально законченное устройство, в котором разрядность шин фиксирована. В многокристальном микропроцессоре каждая из его частей – блок обработки команд и данных, управляющее устройство выполнена отдельно, поэтому для работы микропроцессора необходимо их взаимное соединение. В многосекционном микропроцессоре все части выполнены на одном кристалле, но вместе с тем взаимное соединение таких процессоров позволяет наращивать разрядность используемых шин. Наиболее существенным различием между процессорами является количество разрядов адреса и данных, которые всегда кратны байту.
- Разрядность шины адреса (адресное пространство микропроцессора).
- Разрядность шины данных.
- Разрядность внутренних регистров.
Исполняемое микропроцессором количество команд, и их функциональность. Различают многофункциональную и сокращенную системы команд. Первую из них называют CISC (Complex Instruction Set Computer — «Компьютер с Полным Набором Команд»). Для полного набора команд, каждая из команд микропроцессора специализирована и предназначается для выполнения какого-либо одного законченного и полнофункционального действия. Такие команды имеют различную длину и состоят из большого числа действий. Процессор с сокращенной системой команд называют RISC (Reduced Instruction Set Computer — «Компьютер с Сокращенным Набором Команд»). В этой системе предполагается применение только простейших команд, при этом каждая команда выполняет элементарные операции, поэтому любые действия микропроцессора обеспечиваются совокупностью таких команд. Длина таких команд невелика и фиксирована, что позволяет увеличить быстродействие микропроцессора и значительно упростить его структуру.
Частота тактирующих сигналов микропроцессора, которая характеризует его быстродействие, это количество элементарных операций выполняемых микропроцессором в одну секунду.[9]
Постоянная борьба разработчиков за повышение производительности микропроцессоров привела к многоуровневой системе кэширования практически во всех процессорах. Многоуровневая кэш – память является составным буфером ядра процессора, который служит для увеличения скорости обмена со значительно более медленной оперативной памятью. Для работы с кэш – памятью используется последовательный алгоритм поиска нужной информации. Вначале нужная информация ищется в кэш первого уровня, если ее там нет, то поиск производится в кэш второго уровня. Если нужной информации и там нет, то производится поиск в кэш третьего уровня. Если нужной информации нет ни в одном кэш, то процессор производит обращение к оперативной памяти для последующего заполнения кэш – памяти нужной информацией. В связи с тем, что объем такой кэш – памяти невелик, данные и использованные команды периодически удаляются из кэш и по мере необходимости заменяются новыми. В современных микропроцессорах все уровни кэш – памяти практически работают на той же частоте, что и ядро процессора, и поэтому скорость обмена информацией с кэш – памятью зачастую более чем на порядок превышает скорость обмена процессора с основной оперативной памятью. Скорость работы с кэш – памятью зависит не только от частоты, но и от ширины шины, с помощью которой она интегрирована в ядро процессора. Аппаратная реализация связи между кэш первого и второго уровня в большинстве процессоров представляет собой двунаправленную 64-х разрядную шину, или однонаправленную шину шириной до 256 бит, работающую либо на прием, либо на передачу.[10]
Для того, чтобы можно было выполнять несколько команд одновременно в современные процессоры встраивают ряд внутренних конвейеров. Технология, когда одновременно выполняются несколько команд называют суперскалярной. Параллельное и внеочередное выполнение команд в ядре осуществляет блок конвейера микрокоманд, который представляет собой буфер, в котором в специально организованной очереди хранятся микрокоманды, упорядоченные по времени выполнения. В конвейере также хранятся необходимые данные о выделенных ресурсах процессора: используемые регистры и функциональные устройства для внеочередного параллельного выполнения команд. Количество микроинструкций, которые одновременно могут выполняться, и минимальное время выполнения отдельной команды определяется длиной конвейера. По мере выполнения микрокоманд, очередь сдвигается, освобождая место для следующих микрокоманд, которые поступают из декодера. Следующая микрокоманда находится в очереди, ожидая готовности данных или освобождения ресурсов микропроцессора.[11]
Несколько лет назад производителям стало понятно, что сохранение существующей архитектуры микропроцессоров сдерживает их развитие, так как наращивать тактовую частоту и обеспечивать нормальный тепловой режим сверхбольшой интегральной схемы становится практически невозможно. Было принято решение о повышении производительности микропроцессоров за счет перехода на многоядерные структуры, при этом тактовая частота сохранялась на достигнутом уровне, или даже уменьшалась, также поддерживалось стабильное энергопотребление. По оценкам разных экспертов двухкратное увеличение ядер процессора может приводить к росту производительности более чем на 40%, а четырехъядерный процессор имеет в 1,5 раза большую производительность, чем лучшие 2-х ядерные. В настоящее время можно утверждать, что увеличение числа ядер микропроцессора является оптимальным способом увеличения производительности ЭВМ. При этом производительность многоядерных процессоров зависит от эффективного программного обеспечения. При создании многоядерных процессоров, производители применяют следующие подходы:[12]
- используют одинаковые и независимые процессорные ядра, которые расположены на разных кристаллах и которые объединены в одном корпусе (многосекционный микропроцессор);
- независимые и одинаковые процессорные ядра размещают на одном кристалле;
- процессорные ядра интегрированы в один кристалл и при этом используют общие встроенные ресурсы, такие как шину FSB, кэш второго уровня, контроллер системной памяти.