Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора ( Основное устройство обработки информации в компьютере).pdf

ВВЕДЕНИЕ

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 компьютеров необъятна и безгранична, она постоянно расширяется, существенно влияя на жизнь всего общества в целом и развитие его производственных сил.

С развитием общества развивается и компьютер, изменяются в лучшую сторону его технические характеристики, такие как быстродействие, удобство в достоинства работе, стоимость, тенденции размеры, количество определены потребляемой электроэнергии. деятельности Прежде всего, задачи компьютер рассматривается исследовательские как преобразователь них информации: человек человек вводит данные, компаний ЭВМ обрабатывает решения их и выводит достоинства информацию (уже обработанную) понятие на монитор (либо некоторых другое устройство). чего Все персональные использовались компьютеры, а также были прочие технические существенно устройства (планшеты, смартфоны) них обрабатывают нескончаемый методы поток информации с целом помощью специальной всего электронной микросхемы, обрабатывают называемой процессором.

компьютеры Актуальность данной жизнь работы обусловлена задачи тем, что общества компьютер прочно процессором вошел в жизнь задумываются людей, но технологии многие из задач них даже и монитор не задумываются о задумываются сущности ПК, о обусловлена том, как учебе он устроен и развитие из чего моделей состоит.

Объектом работы темы исследования процессором является понятие и быстродействие сущность процессора.

процессора Предметом исследования ЛИТЕРАТУРЫ являются современные вошел модели процессоров исследовать различных компаний является производителей.

Цель использовались данной работы различных заключается в изучении методы сущности и структуры она процессора, а также в рассмотрении некоторых моделей процессоров от разных производителей.

Для осуществления данной цели были определены следующие исследовательские задачи:

- проанализировать основные характеристики процессора;

- рассмотреть архитектуру процессора;

- исследовать тенденции современного рынка процессоров, выделить самые лучшие модели, рассмотреть основные характеристики и достоинства современных процессоров.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы: теоретический анализ исторических, публицистических, научных, социологических источников и их описание. 

---

ГЛАВА 1. Основное устройство обработки информации в компьютере

1.1. Основное назначение и характеристики процессора

В соответствии с принципами архитектуры ЭВМ Джона фон Неймана единственным источником активности в ЭВМ является процессор, который, в свою очередь, управляется программой, находящейся в памяти ЭВМ. (Здесь не учитывается, что источником активности также является человек, который запускает машину и вмешивается в аварийных ситуациях.)

Процессор – это центральное устройство ЭВМ, которое выполняет две основные функции:

1. обработку информации (выполнение операций над данными);
2. управление работой компьютера в соответствии с программой.

За реализацию этих функций в составе процессора отвечают арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ)^[1].

В состав процессора входит также собственная процессорная память, ячейки которой называются регистрами. Разрядность такого регистра – не менее машинного слова. Их количество невелико, оно меняется от 14 двухбайтных регистров в МПРЦ 8086 (первые IBM PC) до нескольких десятков регистров разной длины в МПРЦ Pentium.

Регистры предназначены для временного хранения информации, обрабатываемой процессором (например, промежуточных результатов). В регистры записывается информация, поступившая из оперативной памяти или, наоборот, предназначенная для передачи в оперативную память.

В регистрах хранятся данные и результаты, выполняемые процессором команды и некоторая другая информация. Среди них выделяют регистры общего назначения, где хранится любая информация, и специализированные регистры, выполняющие определенную функцию.

Примером специализированного регистра может служить счетчик команд, роль которого будет рассмотрена позднее.

Обработка информации происходит только в регистрах процессора.

Информацию в процессор можно внести из любой ячейки памяти или внешнего устройства, или наоборот, направить в любую ячейку памяти или на внешнее устройство.

---

Для выполнения арифметических и логических операций над данными, т.е. для обработки информации предназначено арифметико-логическое устройство^[2].

Микросхема (интегральная схема) – сложная электронная схема, образованная большим количеством электронных элементов, сформированных на поверхности кристалла кремния (или другого полупроводника).

В зависимости от плотности упаковки элементов различают малые, средние, большие и сверхбольшие интегральные схемы.

Процессор, выполненный в виде одной или нескольких больших интегральных схем, называется микропроцессором.

Функции процессора предполагают наличие в его составе двух устройств, отвечающих за выполнение каждой из них:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для обработки информации, выполнения арифметических и логических операций над данными;
• устройство управления (УУ) – управляет работой компьютера (формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные управляющие сигналы).

Среди основных характеристик процессора выделим тактовую частоту, разрядность и адресное пространство.

1. Тактовая частота.

Ритм работы процессора задается микросхемой, которая называется генератором тактовых импульсов. Он вырабатывает последовательность электрических импульсов. Такт – это промежуток времени между соседними импульсами (от начала текущего импульса до начала следующего). Каждая операция в компьютере выполняется за определенное число тактов. Чем больше тактов выполняется в единицу времени, тем выше скорость работы компьютера. Таким образом, тактовая частота – количество тактов в секунду – является одной из важнейших характеристик процессора. Тактовая частота современных ПК составляет 100-130 Мгц (миллионов тактов в секунду).

Генератор тактовых импульсов располагается на материнской плате и передает импульсы процессору, но микропроцессор может работать быстрее, чем определяет основная тактовая частота, поэтому Микропроцессоры моделей 80486х и все последующие могут работать с внутренним умножителем тактовой частоты в 2, 3 и даже в 5 раз, на что указывает соответствующий коэффициент^[3].

1. Разрядность процессора.

Разрядность процессора показывает, сколько двоичных разрядов (бит) процессор может принять и обработать в своих разрядах за один такт. Ранее было рассмотрено понятие ячейки – совокупности последовательных байтов, доступных для обработки одной командой. Длина машинного слова, хранящегося в ячейке, составляющая 1байт (8 разрядов), 2 байта (16 разрядов) или 4 байта (32 разряда), как раз и равняется разрядности процессора.

---

Разрядность процессора зависит от разрядности регистров его собственной памяти, в которых размещаются обрабатываемые данные, поступившие из внутренней памяти (информация между процессором и внутренней памятью передается целыми машинными словами).

1. Адресное пространство.

Процессор обращается по адресу к ячейкам внутренней памяти или внешнему устройству. По шине данных информация, найденная в указанной ячейке (или внешнем устройстве), передается к процессору или, наоборот, направляется процессором в указанную ячейку памяти (на внешнее устройство).

Адрес (двоичный адресный код) передается по шине адресов. Максимальная величина адреса определяет количество ячеек памяти, к которым процессор может обратиться непосредственно по адресу – она называется адресным пространством.

Напомним, что нумеруются байты внутренней памяти, адрес же ячейки равен адресу младшего байта. Таким образом, адресное пространство показывает максимальное число непосредственно адресуемых байтов.

Адресное пространство зависит от количества разрядов двоичного адресного кода, которое модно передать по линиям (проводам) адресной шины. Обычно длина кода равна количеству таких линий – разрядности адресной шины.

Например, если разрядность адресной шины равна 16, по такой шине можно одномоментно передать 16-разрядный адресный код. С помощью 16 разрядов можно закодировать 2¹⁶ разных адресов. Таким образом, адресное пространство будет равно 2¹⁶ Байт = 65536 адресов (т.е. непосредственно адресуемых байтов) или 2⁶ Кбайт.

При 32-разрядной адресной шине адресное пространство равно

232 Байт = 222 Кбайт = 2¹² Мбайт = 4 Гбайт^[4].

Важной характеристикой процессора является его система команд, т.е. совокупность всех команд, которые он может выполнить. Процессоры, различные по системе команд, несовместимы и невзаимозаменяемы.

Системы команд современных компьютеров включают порядка трехсот команд, но это количество увеличивается, достигая 1000 команд и более. Процессоры с такой полной (или расширенной) системой команд называются процессорами типа CISC (Complex Instruction Set Computing). Расширение системы команд, с одной стороны, расширяет возможности компьютера, но с другой, делает сложнее его архитектуру и длиннее двоичный код записи одной команды. Это, в свою очередь, ведет к увеличению количества тактов, нужных для исполнения команды. На выполнение даже самой короткой команды из системы CISC требуется 4 такта.

---

CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных машинах, предназначенных для выполнения разнообразных типов операций обработки информации. Однако в специализированных вычислительных машинах, ориентированных на решение определенного типа задач и выполнение единообразных операций, можно использовать процессоры, имеющие сокращенную систему команд, т.е. процессоры типа RISC (Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд намного меньше, и каждая из них выполняется значительно быстрее – процессоры типа RISC имеют очень высокое быстродействие. Если требуется выполнить более сложную команду, не входящую в систему команд RISC-процессора, она автоматически «собирается» из простых. При выполнении программ, содержащих большое количество сложных команд, работа такого процессора быстро замедляется^[5].

1.2. Логические основы обработки информации на ЭВМ

В настоящее время в обыденной жизни для кодирования числовой информации используется десятичная система счисления с основанием 10, в которой используется 10 элементов обозначения: числа 0, 1, 2, … 8, 9. В первом (младшем) разряде указывается число единиц, во втором — десятков, в третьем — сотен и т.д.; иными словами, в каждом следующем разряде вес разрядного коэффициента увеличивается в 10 раз.

Обработка информации выполняется в соответствии с законами алгебры логики – раздела математической науки, изучающей операции над логическими высказываниями (предложениями, о которых можно сказать, истинны они или ложны)^[6].

В первой половине XIX века английский математик Джордж Буль разработал математический аппарат, с помощью которого можно выполнять операции над логическими выражениями, имеющими лишь два значения: «истина» и «ложь». В дальнейшем выяснилось, что абстрактную математическую структуру, созданную Булем (Булеву алгебру) можно наполнить разным содержанием. Она подходит для описания операций над логическими высказываниями (логическая модель). Но ее можно также применить для описания операций над множествами (теоретико-множественная модель).

Для нас же самое главное в том, что, с одной стороны, формальные законы Булевой алгебры применимы к обработке последовательностей нулей и единиц (функциональная модель), а с другой, те же законы описывают работу так называемых контактных схем, т.е. схем, составленных из комбинаций переключателей (контактов), которые могут также принимать два значения: «включено» и «выключено» (техническая модель). В качестве таких переключателей первоначально использовались электромагнитные реле, позднее электронные элементы^[7].

---