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

ВВЕДЕНИЕ

Появление электронно-вычислительных машин (ЭВМ) в современном обществе нарушило монополию человека на обработку информации и стало предпосылкой создания средств для загрузки и выгрузки информации в обрабатывающую часть вычислительного устройства. При этом способы представления и обработки информации в рамках ЭВМ сильно отличаются от тех, которые используются человеческим мозгом [13].

ЭВМ по праву занимает достойное место в списке величайших достижений научно-технического прогресса прошлого столетия. Большинство современных людей заняты в сфере обработки информации, пользуясь при этом информационными и коммуникационными технологиями. Сегодня уже человек сам по себе является частью информационного общества. Для того чтобы уверенно занимать эту позицию, ему необходимо обладать определенной информационной культурой, а также знаниями и навыками работы в области информационных технологий. Кроме того, необходимо иметь знания об архитектуре ЭВМ и ее устройстве, а также аппаратной реализации и физических процессах функционирования [15].

Сегодня информационные технологии шагнули так сильно вперед, что компьютеры стали помещаться на ладони. Однако, не смотря на многообразие различных видов электронных вычислительных устройств, их работа построена на общих принципах, характерных для каждого вида архитектуры. Под архитектурой ЭВМ здесь понимается набор устройств, входящих в ее состав, а также их назначение, особенности функционирования и связи между ними [3].

Все вышесказанное объясняет актуальность выбранной темы – современный мир является миром информационных технологий. Человек неразрывно связан с достижениями науки и техники в этом направлении. Чтобы оставаться в курсе имеющихся технологий и уметь их грамотно использовать, человеку необходимо не только знать новейшие достижения, но и иметь представление о первоначальном устройстве и его эволюции.

Объект исследования данной работы – электронно-вычислительные машины.

Предмет исследования – центральные процессоры (ЦП) ЭВМ.

Целью работы является рассмотрение истории развития ЭВМ, описание принципов их построения, а также построения центральных процессоров ЭВМ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать литературу по заданной теме;
• изучить основные поколения ЭВМ;
• выявить принципы построения ЭВМ;
• изучить принципы построения архитектуры ЦП;
• рассмотреть структуру и систему команд процессоров.

В качестве опорных источников при написании работы были использованы следующие: Цилькер Б.Я. - «Организация ЭВМ и систем» и Орлов С.П. - «Организация компьютерных систем».

1. ЭВМ

1.1. Основные понятия

В настоящее время существует множество различных определений термина ЭВМ, схожих по своей сути. Рассмотрим основные из них:

• компьютер – прибор, способный производить различные вычисления и принимать решения, быстрее по своей скорости в миллиарды раз, в сравнении с человеком. Для обработки данных компьютеры используют специальные наборы команд, которые называются компьютерными программами;
• цифровой компьютер – машина, способная решать задачи и выполнять команды, направленные ей. При этом последовательность направленных команд, которые описывают решение поставленной задачи, носит название программы;
• ЭВМ – комплекс электронного оборудования, задачей которого является интерпретация программ в виде физических процессов, основная цель которых – реализация математических операций над данными, представленными в цифровом виде;
• ЭВМ – искусственная (инженерная) система, основной целью которой является выполнение разнообразных вычислений на основе алгоритмов. Принципы построения ЭВМ определяются с одной стороны назначением ЭВМ, а с другой – ее элементной базой, т.е. набором элементов, из которых состоит ЭВМ. Наиболее распространенное назначение ЭВМ – выполнение алгоритмов, направленных на вычисление чего-либо, поэтому свойства алгоритмов предопределяют принципы построения ЭВМ – ее архитектуру [7].

В дальнейшем под ЭВМ будет пониматься совокупность технических средств, предназначенных для организации ввода/вывода, хранения, а также автоматической обработки информации согласно заданному алгоритму.

Технические средства ЭВМ приведены на рисунке 1.

Технические средства ЭВМ

ЦП

ОП

ВУ

ПВВ

УВВ

ВЗУ

Рисунок 1 – Технические средства ЭВМ

В их состав входят:

• центральный процессор (ЦП);
• оперативная память (ОП);
• внешние устройства (ВУ):
  • устройства ввода/вывода (УВВ);
  • внешние запоминающие устройства (ВЗУ);
• процессоры ввода/вывода (ПВВ).

Вычислительный комплекс (ВК) представляет собой совокупность технических средств, в состав которых входит сразу несколько центральных процессоров (МПВК – многопроцессорный вычислительный комплекс) или объединение нескольких однопроцессорных ЭВМ (ММВК – многомашинный вычислительный комплекс), представленный на рисунке 2.

Главная задача построения ВК – обеспечить высокую надежность и/или производительность, которая не может быть достигнута при помощи использования только однопроцессорных ЭВМ [1].

Вычислительный комплекс

МПВК

МПВК

ЦП₁

ЦП₂

ОП₁

ОП₂

ВУ

ЭВМ

ЦП₁

ОП₁

ЦП₂

ОП₂

ВУ

ЭВМ₁

ЭВМ₂

Рисунок 2 – Схема вычислительного комплекса

1.2. Эволюция

1.2.1. Нулевое поколение (1492-1945 гг.)

Период нулевого поколения принято называть механической эрой. Вычислительные устройства того времени строили на механических зубчатых колесах, на смену которым, в начале XX века пришли электромеханические реле. Вычислительные машины той эпохи не имели вообще ничего общего с современными ЭВМ.

Ключевыми событиями периода нулевого поколения являются следующие:

• в 1642г. Блез Паскаль представил первое механическое вычислительное устройство, которые могло выполнять простейшие арифметические операции над пятиразрядными десятичными числами;
• в 1673 г. Готфрид Лейбниц представил «пошаговый вычислитель», который мог выполнять все четыре основных арифметических операции над 12-разрядными операндами в десятичной системе счисления. Впервые в конструкцию вычислительного устройства, кроме зубчатых колес, был добавлен ступенчатый валик;
• в 1836 г. Чарльз Бэббидж описал проект «аналитической машины», которая могла получать данные с перфокарт и хранить их в памяти, объемом пятьдесят чисел. В основе данной машины лежала концепция условного перехода. Кроме того, именно в машине Бэббиджа появилась идея микропрограммирования – инструкции для данной машины задавались при помощи позиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями;
• в 1939 г. Джордж Стибитц и Сэмюэль Вильямс представили калькулятор, в основе которого лежала релейная логика – Model I. Управление калькулятором осуществлялось с помощью модифицированного телетайпа;
• в 1943 г. группа гарвардских ученых под управлением Говарда Айкена представила вычислитель Mark I, состоящий из целого множества отдельных вычислителей, обрабатывающих свои части в решении задачи и контролирующиеся единым устройством управления. Ввод команд осуществлялся также при помощи перфокарт;
• в 1945 г. Конрад Цузе представил вычислитель Z4, схожий с современными компьютерами: он состоял из отдельных устройств процессора и памяти. Кроме того, процессор Z4 мог обрабатывать числа с плавающей запятой и извлекать квадратный корень. Данные для Z4 вносились при помощи перфоленты.

Ключевым событием эпохи нулевого поколения является разработка аналитической машины Бэббиджа.

1.2.2. Первое поколение (1937 – 1953 гг.)

Основной идеей машин первого поколения является применение электронно-вакуумных ламп, заменившим электромеханические реле. Изначально считалось, что электронные лампы будут надежнее, хотя эта идея оказалась неоправданной. Главным достоинством электронных ламп была скорость их переключения – такие ключи переключались приблизительно в тысячу раз быстрее, чем электромеханические реле.

Первой ЭВМ данной эпохи является калькулятор ABC, разработанный Клиффордом Берри и Джоном Атанасовым в период 1939-1942 гг. Главной задачей данного калькулятора являлось решение систем линейных уравнений, которые могли включать до 29 уравнений и неизвестных.

Соперником калькулятора ABC является машина ENIAC, разработанная Преспером Эккертом и Джоном Мочли в 1946 г. Изначально ENIAC применялся в процессах разработки водородной бомбы. Программа в нем задавалась при помощи схемы коммутации триггеров на 40 наборных полях. Фактически, в состав данного компьютера входило 10 триггеров, которые объединялись в кольцо, образуя десятичный счетчик. Десять подобных колец реализовывали запоминающий регистр. Всего в составе ENIAC было 20 регистров.

Ключевым моментом эпохи первого поколения считается проект EDVAC с участием Джона фон Неймана, в котором впервые был реализован принцип хранимой в памяти программы.

Основными областями применения ЭВМ первого поколения были инженерные и прикладные науки.

1.2.3. Второе поколение (1954-1962 гг.)

Дальнейшее развитие вычислительной техники связано с заменой электронных ламп на полупроводниковые транзисторы и диоды. Одной из первых машин, построенных по данной технологии, является TRADIC, разработанная компанией Bell Labs, состоящая из 700 транзисторов и 10000 германиевых диодов.

Изменения коснулись не только структурных элементов ВМ, но и устройств памяти – стали применяться устройства на магнитных сердечниках, при помощи которых можно было реализовать произвольный доступ к данным.

Кроме того, в состав процессора впервые были введены индексные регистры, при помощи которых можно было организовывать работу с массивами данных.

Также, именно в эпоху второго поколения ЭВМ появились процессоры ввода/вывода, дошедшие и до наших дней. Главной целью этих процессоров было освобождение ЦП от операций управления вводом/выводом.

1.2.4. Третье поколение (1963-1972 гг.)

Предпосылкой для появления третьего поколения ЭВМ стал резкий рост вычислительных мощностей, который был достигнут за счет перехода от полупроводников к интегральным микросхемам. Также изменилась технология памяти – вместо магнитных сердечников стали применяться полупроводниковые устройства.

Также произошли изменения и в архитектуре ЭВМ – появились понятия параллельной и конвейерной обработки.

Первые ЭВМ третьего поколения строились на интегральных схемах (ИС) малой степени интеграции. Кристалл такой схемы мог включать в себя до 10 транзисторов. В завершении третьего поколения появились ИС средней степени интеграции, число транзисторов в которых было уже на порядок выше. Тогда же появилась идея создания и использования многослойных печатных плат.

Ярким примером ЭВМ третьего поколения является ВС CDC 6600, разработанная в 1964 г. Сеймуром Креем. Именно в данной ЭВМ впервые был реализова принцип параллелизма. CDC 6600 включала в свой состав 10 независимых функциональных блоков, способных работать параллельно. Кроме того, в ее состав входили 32 независимых модуля памяти. Модификацией CDC 6600 стала CDC 7600 – конвейерная вычислительная система. Превосходящая по производительности свою базовую ЭВМ в 10 раз.

Также важно отметить семейство ВМ IBM 360, которое стало эталоном архитектуры ЭВМ благодаря следующим свойствам:

• предварительная выборка команд;
• конвейеризация команд;
• кэш память;
• отдельные блоки для операций с плавающей и фиксированной запятой.

1.2.5. Четвертое поколение (1972-1984 гг.)

Главной причиной возникновения нового поколения ЭВМ стал переход к интегральным схемам сверхбольшой степени интеграции, которые содержали до 100000 транзисторов на одном кристалле. При таком подходе на кристалле стало возможным расположить не только ЦП, но и различные вычислительные блоки.

С точки зрения архитектуры также были внесены изменения – появились ЭВМ с сокращенным набором команд – RISC (Redused Instruction Set Computer). Такие ЭВМ содержали только наиболее распространенные простейшие команды.

1.2.6. Пятое поколение (1984-1990 гг.)

В основу ЭВМ пятого поколения лег принцип параллельных вычислений, который был реализован при помощи одновременного использования нескольких процессоров.