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

Введение

Центральный процессор (центральное обрабатывающее устройство — ЦПУ или ЦП, произошел от английского «central processing unit» (CPU), что дословно переводится как центральное обрабатывающее устройство) — микросхема, исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера [1]. Он является важнейшим компонентом как персонального компьютера, так и вообще любого технического оборудования, управляя всем рабочим процессом, так же обрабатывает большую часть поступающей информации.

Сегодня едва ли найдется сфера или область деятельности, где не используется какая-либо техника и, соответственно, процессоры.

Данная тема является актуальной поскольку процессор является фундаментом любой теперешней техники, что, в свою очередь, представляется фундаментом нынешнего технического развития. Именно она обеспечивает многоуровневую коммуникацию (как международную, так и бытовую), функционирование станков, мониторинг над производственными технологическими процессами. С ее помощью несравненно ускоряются ход моделирования, процесс разработки, скорость фундаментальных исследований, потому что даже самые комплексные и трудоемкие расчеты процессор рассчитывает гораздо быстрее, чем человек. Это свидетельствует о том, что продуктивность всей компьютерной техники зависит от того, как будет эволюционировать производительность и работоспособность этой маленькой с виду детали.

Процессор являет собой воплощение самой инновационной прикладной мысли. Поскольку данной области свойственна сильная конкуренция и большие финансовые вложения, каждый раз релиз новой модели несет в себе более или менее значимый прорыв – как научный, так и технологический, и конструкторский. Во время производства отражаются научно-технические высокие достижения в таких областях, как физика, кристаллография, электротехника, математика, автоматизация, кибернетика.

Целью этой курсовой работы является изучить процессор персонального компьютера, его назначение, функции и классификацию.

Для достижения данной задачи мы пройдемся по следующим темам:

- основные понятия темы;

- структура процессоров персонального компьютера и основные функции;

- основные принципы классификаций процессоров.

Глава 1. Процессоры. Основные функции

---

Все слышали объяснение, что процессор компьютера похож на его мозг. Как следует из этой аналогии, центральный процессор заботится о «мыслях» компьютера, получая входные данные и обрабатывая данные для получения результатов. В отличие от мозга, центральный процессор не является основным пространством хранения для долгосрочной или кратковременной памяти, задачи относятся к жесткому диску и оперативной памяти соответственно.

Процессор выполняет арифметику и принимает логические решения со скоростью до миллиардов операций в секунду. Любой другой компонент в компьютере обслуживает ЦП, извлекая и сохраняя данные или отображая результаты на экране.

По конструкции они бывают изготовлены либо как одна большая однокристальная микросхема (чип), либо как объединённый блок, в которую входят несколько электронных микросхем.

Чаще всего процессор представлен в виде чипа, расположенного на материнской плате. На самом чипе написана его марка, его тактовая частота (число возможных операций, которые он может выполнить в единицу времени) и изготовитель [11].

Почти все сегодняшние компьютеры основаны на так называемой архитектуре фон-Неймана.

Внутри компьютера ЦП подключается непосредственно к материнской плате через разъем ЦП. Тип сокета зависит от материнской платы, накладывая ограничение на работу процессоров с каждой платой - жизненно важная спецификация, которую необходимо проверить при рассмотрении вопроса об обновлении. Рядом с процессором находятся жесткий диск, оперативная память и различные карты расширения. Все эти компоненты работают вместе для получения результатов. ЦП использует данные, хранящиеся в активной памяти ОЗУ, и выводит результаты в файлы на жестком диске. Карты расширения включают в себя дополнительные компоненты, которые освобождают работу от других компонентов, таких как видеопамять и графический процессор на видеокарте.

Нынешние центральные процессоры, которые сделаны как отдельный чип (микросхема), которые несут в себе все особенности такого рода устройств, 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 (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) [10].

Первоначально выражение «Центральное обрабатывающее устройство» характеризовало специальную группу вычислительных машин, которые должны были осуществлять комплексные программные коды. Поскольку требования тогдашних компьютеров полностью соответствовали данным возможностям, он был перенесен непосредственно в компьютер. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде [12].

---

В середине XX века работа больших компьютеров основывалась на работе механических реле, позже – на электронных лампах, а еще позже – на транзисторах, которые были размером с шкаф (даже несколько шкафов) и полны электроники. Такие конструкции были не очень надежны, дорого стоили и расходовали очень много электричества.

В начальные периоды центральные процессоры создавались, как совокупность уникальных частиц для неповторимых компьютерных систем, которые были предназначены для выполнения единичных задач. Со временем, благодаря развитию техники и мысли, производители перешли к производству многофункциональных типовых компьютеров и положили начало тенденции к стандартизации компьютеров и его составляющих. Этот подход появился во времена активного развития полупроводниковых элементов, больших ЭВМ (mainframe) и миникомпьютеров. Еще позже, когда появились интегральные схемы, такой подход стал на много более популярным. Самым большим прорывом создания микросхемы, было то, что это позволяло увеличить комплексность центрального процессора и одновременно уменьшить размер. Благодаря этому очень скоро цифровые устройства вошли и распространились в повседневной жизни человечества.

Сегодня процессоры обеспечивают работу как вычислительных машин, так и многих бытовых и электронных приборов, таких как машины, микроволновые печи, холодильники, смартфоны, игрушки и даже часы. 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.) [12]. Широкий спектр возможностей сегодняшних микроконтроллеров (расчетные и производительные) значительно превосходят возможности персональных вычислительных машинам двадцатилетней давности.

1.1 Особенности процессора

По мере появления новых процессоров в их архитектуры постоянно добавляются новые функции, помогающие улучшить все - от производительности в конкретных типах приложений до надежности ЦП в целом. Рассмотрим некоторые из этих технологий, в том числе режим управления системой (SMM), суперскалярное выполнение, MMX, SSE, 3DNow !, технология HT и двухъядерная обработка.[9]

• SMM (управление питанием)

Подстегнутая прежде всего целью установки более быстрых и более мощных процессоров в ноутбуках, Intel создала схему управления питанием. Эта схема позволяет процессорам экономить энергию и продлевать срок службы батареи. Первоначально это было представлено в процессоре Intel 486SL, который является улучшенной версией процессора 486DX. Впоследствии функции управления питанием были универсализированы и включены во все 75 МГц и более быстрые процессоры Pentium и более поздние версии [4]. Этот набор функций называется SMM, что означает режим управления системой.

---

Схема SMM интегрирована в физическую микросхему, но работает независимо для управления энергопотреблением процессора на основе уровня его активности. Это позволяет пользователю указывать временные интервалы, после которых ЦП будет частично или полностью выключен. Он также поддерживает функцию приостановки / возобновления, которая позволяет мгновенно включать и выключать питание, используемое в основном на ноутбуках. Этими настройками обычно управляют через системные настройки BIOS.

• Суперскалярное выполнение

Pentium пятого поколения и выше имеют несколько внутренних конвейеров инициализации команд, которые позволяют им проработовать несколько команд одновременно. 486 и модели постарше могут инициализировать только одну команду за раз. Intel называет возможность выполнять больше одной команды одновременно суперскалярной технологией. Если сравнивать с 486, эта технология обеспечивает дополнительную производительность.

Суперскалярная архитектура обычно ассоциируется с высокопроизводительными чипами RISC. Чип RISC имеет менее сложный набор инструкций с меньшим количеством более простых инструкций. Хотя каждая инструкция выполняет меньше, в целом тактовая частота может быть выше, что обычно может повысить производительность. Pentium - один из первых чипов с комплексным набором команд (CISC), который считается суперскалярным. Микросхема CISC использует более богатый набор команд с более сложными инструкциями.

Intel и совместимые процессоры обычно считаются чипами CISC, хотя версии пятого и шестого поколений имеют много атрибутов RISC и внутренне разбивают инструкции CISC на версии RISC [16].

• MMX технология

Технология MMX изначально была названа для мультимедийных расширений или матричных математических расширений, в зависимости от того, кого вы спрашиваете. Intel официально заявляет, что это на самом деле не аббревиатура и означает ничто иное, как буквы MMX (очевидно, что отсутствие аббревиатуры требовалось для того, чтобы буквы могли быть торговыми марками) [11]; однако внутреннее происхождение, вероятно, является одним из предшествующих. Технология MMX была представлена ​​в более поздних процессорах Pentium пятого поколения как своего рода надстройка, которая улучшает сжатие / распаковку видео, манипулирование изображениями, шифрование и обработку ввода-вывода - все это используется в различных современных программах.

MMX состоит из двух основных архитектурных улучшений процессора. Первый очень простой; все чипы MMX имеют больший внутренний кэш L1, чем их аналоги, не относящиеся к MMX. Это повышает производительность любого программного обеспечения, работающего на чипе, независимо от того, использует ли оно на самом деле инструкции, относящиеся к MMX.

---

Другая часть MMX состоит в том, что он расширяет набор инструкций процессора 57 новыми командами или инструкциями, а также новой возможностью инструкций, называемой одной инструкцией, несколькими данными (SIMD) [11].

Современные мультимедийные и коммуникационные приложения часто используют повторяющиеся циклы, которые, хотя и занимают 10% или менее от общего кода приложения, могут составлять до 90% времени выполнения. SIMD позволяет одной инструкции выполнять одну и ту же функцию с несколькими частями данных, подобно тому, как учитель говорит всему классу «сесть», а не обращается к каждому ученику по одному. SIMD позволяет микросхеме сокращать циклы с интенсивным использованием процессора, общие для видео, аудио, графики и анимации.

Intel также добавила 57 новых инструкций, специально разработанных для более эффективной обработки видео, аудио и графических данных. Эти инструкции ориентированы на высокопараллельные и часто повторяющиеся последовательности, часто встречающиеся в мультимедийных операциях. Высокая параллельность относится к тому факту, что одна и та же обработка выполняется во многих точках данных, например при изменении графического изображения. Основными недостатками MMX было то, что он работал только с целочисленными значениями и использовал для обработки единицу с плавающей запятой, поэтому было потеряно время, когда был необходим переход к операциям с плавающей запятой. Эти недостатки были исправлены в дополнениях к MMX от Intel и AMD.

Intel лицензировала возможности MMX для конкурентов, таких как AMD и Cyrix, которые затем смогли обновить свои собственные Intel-совместимые процессоры с технологией MMX.

• SSE, SSE2 и SSE3

В феврале 1999 года Intel представила процессор Pentium III и включила в него обновление MMX под названием Streaming SIMD Extensions (SSE). Они также назывались Katmai New Instructions (KNI) вплоть до их дебюта, потому что они изначально были включены в процессор Katmai, который был кодовым названием для Pentium III. Celeron 533A и более быстрые процессоры Celeron на базе ядра Pentium III также поддерживают инструкции SSE. Предыдущие Pentium II и Celeron 533 и ниже (основанные на ядре Pentium II) не поддерживают SSE.

SSE включает в себя 70 новых инструкций для графики и обработки звука по сравнению с MMX. SSE похож на MMX [9]; на самом деле, помимо того, что SSE называли KNI, некоторые также называли MMX-2 до его выпуска. В дополнение к добавлению дополнительных инструкций в стиле MMX, инструкции SSE допускают вычисления с плавающей запятой и теперь используют отдельный модуль в процессоре вместо совместного использования стандартного модуля с плавающей запятой, как MMX.

---