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

ВВЕДЕНИЕ

Современное общество характеризуется стремительным развитием информационных технологий. Сегодня без использования компьютеров не обходится ни одна область человеческой деятельности. Использование потенциальных возможностей компьютерных технологий позволяет хранить огромное количество информации, занимая при этом минимальное место, быстро эту информацию обрабатывать и держать ее в защищенном виде.

Процессор является основным рабочим компонентом персонального компьютера, выполняющим арифметические и логические операции, управляющим вычислительным процессом и координирующим работу всех устройств компьютера. Именно от того, какой процессор установлен на компьютере, зависит его быстродействие.

Актуальность темы курсовой работы обусловлена тем, что персональные компьютеры непрерывно совершенствуются, становятся более адаптивными для пользователя, при этом увеличение производительности компьютера наращивается непосредственно с помощью улучшения характеристик его процессора.

Цель данной работы заключается в изучении назначения и функций процессора персонального компьютера, а также рассмотрении классификации процессоров ПК.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

- определение понятия процессора персонального компьютера и его назначения и основных характеристик;

- исследование устройства процессора и его функций;

- классификация процессора по различным классификационным признакам;

- рассмотрение современных процессоров от основных фирм-изготовителей: «Intel» и «AMD».

При написании курсовой работы были проработаны и изучены источники литературы, посвященные тематике исследования, в частности, М.К Буза «Архитектура компьютеров», Л.Г. Гагарина «Технические средства информатизации», Джон Л. Хеннесси и Дэвид А. Паттерсон «Компьютерная архитектура», В.В. Старков «Архитектура персонального компьютера: организация, устройство, работа», Э. Таненбаум и Т. Остин «Архитектура компьютера» и др., а также использовались материалы официальных сайтов компаний-производителей микропроцессоров «Intel» и «AMD» и иные тематические материалы сети Internet.

1. Понятие, назначение и функции процессора персонального компьютера

Понятие, назначение и основные характеристики процессора

Процессор, или более полно — микропроцессор, называемый также центральный процессор или CPU (central processing unit), является центральным компонентом персонального компьютера. Это устройство обработки цифровой и аналоговой информации, основная часть аппаратного контроля системы, а также основной инструмент, производящий арифметические и логические операции, записанные с использованием машинного кода^[1].

---

Процессор представляет собой миниатюрную тонкую кремниевую пластинку прямоугольной формы, на которой размещается огромное количество транзисторов, реализующих все функции, выполняемые процессором. Кремневая пластинка – весьма хрупкая, и поскольку любое ее повреждение приведет к выходу из строя процессора, ее помещают в пластиковый или керамический корпус.

Микропроцессор создается на полупроводниковом кристалле (или нескольких кристаллах) путем применения сложной микроэлектронной технологии. Возможности компьютера как универсального исполнителя по работе с информацией определяются системой команд процессора - языком машинных команд, из которых составляют программы управления работой компьютера^[2].

Основными производителями процессоров для персональных компьютеров являются Intel и AMD, которые развивают и внедряют новые технологии и техпроцессы. На данном рынке определенную нишу занимает и VIA Tehnologies, которая производит процессоры для бюджетных и менее производительных систем, предлагая более экономичные решения^[3].

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъема LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъем — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллиарды транзисторов^[4].

Назначение процессора состоит в решении следующих задач:

- поэтапное чтение и расшифровывание команд из основной и оперативной памяти, регистров и адаптеров внешних устройств;

- обработка запросов при обслуживании компонентов персонального компьютера;

- синхронизация данных на накопителях данных;

- генерация сигналов управления узлами и блоками персонального компьютера^[5].

Производительность или быстродействие компьютера определяется скоростью сопоставления данных и соответствующих команд для их обработки.

К основным характеристикам процессора персонального компьютера относятся:

- тактовая частота, измеряющаяся в мегагерцах (МГц) и определяющая общий уровень быстродействия процессора - реальную частоту работы его ядра, представляет собой количество выполняемых операций в секунду. Так в основе работы процессора лежит тактовый принцип. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в чипсет, расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность^[6].

---

Для современных процессоров тактовая частота может находиться в диапазоне 1,5-4 ГГц. Она определяется умножением частоты внешней шины процессора (FSB) на коэффициент умножения. Так, например, для процессора Intel Core 2 Duo Е6600 частота FSB — 266,6 МГц, множитель — 9, в результате тактовая частота – 2400 МГц.

Следует подчеркнуть, что поскольку тактовая частота процессора зависит от шины FSB, заставить его работать с большей скоростью возможно, изменив частоту FSB^[7];

- количество ядер. Ядро процессора – это его основная часть, содержащая все функциональные блоки и осуществляющая выполнение всех логических и арифметических операций^[8].

Многоядерность является значимой характеристикой, ведь благодаря ей выполнение потоков множества задач разбивается на несколько ядер, что значительно увеличивает производительность процессора, по сравнению с одноядерными.

Многоядерные процессоры работают быстрее, потому что каждое ядро может обрабатывать свой собственный поток данных. В то время как многоядерные процессоры могут выборочно кэшировать данные и получить не кэшированные данные из других хранилищ, дополнительное ядро может продолжать выполнение команды и получение информации с нормальной скоростью процессора, в то время как другой процессор извлекает необходимую информацию из медленных устройствах хранения. Таким образом, система не будет тормозить во время получения данных.

Многоядерный процессор особенно ценен для многозадачности, где больше чем одна программа обслуживает свой набор данных для их обработки. Отдельные потоки данных могут обрабатываться разными ядрами, увеличивая общую скорость обработки. Если же программа не оптимизирована под много поточность, количество ядер не способно повлиять на производительность компьютера - она будет выполняться медленнее на многоядерном процессоре^[9];

- разрядность, являющаяся основной характеристикой микропроцессора, – отвечает за скорость обработки информации за положенную единицу времени, т.е. показывает, сколько бит обработает процессор за один такт.

От этого параметра зависит, поддерживает ли процессор только 32-битные приложения или допускает использование 64–битных. Большинство современных процессоров поддерживают 64–битную архитектуру. Подобное разделение влияет на количество доступной оперативной памяти (до 4 ГБ в 32-битных и от 4 ГБ в 64-битных системах) а также на внутренние параметры, которые редко учитываются рядовыми пользователями и имеют значение только для специалистов, например, разработчиков программного обеспечения^[10];

---

- объем адресуемой памяти или иначе называемой кэш-памяти – быстрой памяти, устанавливаемой непосредственно на кристалле процессора для уменьшения времени ожидания ввиду более быстрой работы процессора по сравнению с оперативной памятью. Чем больше объем кэш-памяти, тем больше скорость обмена информацией между процессором и другими устройствами, установленными на компьютере. Чем больше это значение, тем быстрее происходит обмен^[11].

Кэш-память содержит данные, наиболее часто используемые процессором, и, как правило, работает на его тактовой частоте.

Кэш-память делится на следующие уровни:

- первый уровень (L1) - наивысшая скорость и небольшой объем, как правило, 16-64 Кбайт;

- второй уровень (L2) - несколько меньшее быстродействие, объем от 128 Кбайт до нескольких мегабайт;

- третий уровень (L3) - объемом от 1 Мбайт^[12].

Таким образом, процессор – это центральный компонент персонального компьютера, выполняющий обработку цифровой и аналоговой информации, логические и арифметические операции, а также осуществляющий управление всеми компонентами компьютера. Основными характеристиками процессора, являются тактовая частота, количество ядер, разрядность и размер внутренней кэш–памяти.

Архитектура и основные функции процессора

Основная часть процессора называется ядром, в нем содержатся все необходимые блоки.

Внутренняя конструкция процессора часто отличается друг от друга, каждому семейству присущ свой набор свойств и функций, при этом в состав процессора входят следующие основные устройства:

- устройство управления - управляет работой всех устройств компьютера по заданной программе, т.е. первоначально извлекает очередную команду из регистра команд, затем определяет, что надо делать с данными, а в конечном итоге задает последовательность действий выполнения поставленной задачи^[13];

- арифметико-логическое устройство – осуществляет арифметические и логические преобразования над числовой и символьной информацией, именуемой операндами;

- регистры представляют собой внутреннюю память процессора и служат своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты^[14].

---

Основными типами регистров, отличающихся видом выполняемых операций, являются:

- сумматор – участвует в выполнении каждой операции;

- счетчик команд – используется для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

- регистр команд - используется для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения^[15].

Все устройства процессора обмениваются между собой информацией с помощью внутренней шины данных.

Структурная схема процессора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема процессора ПК^[16]

Современные процессоры имеют и другие структурные элементы:

- модуль выборки инструкций – отвечает за распознавание инструкций по адресу, который обозначается в счетчике команд;

- предсказатель переходов - определяет последовательность исполняемых команд, нагружая конвейер ядра;

- модуль декодирования - отвечает за определения некоторых процессов для выполнения задач;

- модули выборки данных - берут информацию из оперативной или кэш-памяти и осуществляют именно выборку данных, необходимых на данный момент для исполнения инструкции;

- модуль сохранения результатов – осуществляет запись после окончания обработки инструкции в оперативную память;

- элемент работы с прерываниями – процессор может выполнять одновременно несколько задач благодаря функции прерывания, путем остановки хода работы одной программы, переключившись на другую^[17].

Архитектура процессоров делится на следующие два вида:

1) CISC – концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующими свойствами:

- нефиксированным значением длин команды;

- арифметические действия кодируются в одной команде;

- содержанием небольшим числом регистров, которые выполняют строго заданные функции^[18].

2) RISC – концепция проектирования процессоров, при которой прирост быстродействия происходит за счет упрощения инструкций, для более простого их декодирования и которая характеризуется следующими свойствами:

- фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды;

- специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров;

---