Файл: Процессор персонального компьютера. История развития технологии производства процессоров.pdf

Введение
 

В современном мире, где информационные технологии так прочно вошли в нашу жизнь, каждый человек знает что такое персональный компьютер, но не каждый понимает и представляет себе всю его работу изнутри. Сейчас компьютеры есть почти в каждом доме, офисе. Без них невозможна работа многих фирм, госучреждений. Дети играют на нем в игры и ищут информацию в интернете. Область использования компьютеров безгранична, она постоянно совершенствуется и рaзвивается вместе с человеком. Все персональные компьютеры, и другие технические устройства (планшеты, смартфоны) обрабатывают бесконечный поток информации с помощью специальной электронной микросхемы, называемой процессором.

Чаще всего, говорят, что центральный процессор является мозгом компьютера. Фактически, центральный процессор - это крошечный чип, связанный непосредственно с мaтеринской платой, с большим вентилятором (кулером), подключенным непосредственно к нему. Без вентиляторa центральный процессор очень быстро бы сгорел. Вы, вероятно, и без меня знаете, что к процессору подключaют не только пaмять. Компьютер — ничто без устройств ввода и вывода, позволяющих ему обменивaться информацией с окружающим миром. Самые популярные устройства ввода и вывода — клавиатура и дисплей

Объектом моей работы является понятие работы процессоров, а также их классификация.

Целью данной курсовой работы является изучение назначения, функции и классификации процессора персонального компьютера.

Для реализации поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

- изучить историю центрального процессора

- исследовать функционирование и назначение центрального процессора

- изучить классификацию процессоров

- провести сравнительный анализ основных характеристик процессоров.

Структура курсовой работы определяется целями и задачами исследования и состоит из введения, двух разделов, заключения, списка использованных источников. Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены цели и задачи, предмет исследования, раскрыта информационная база. В первом разделе рассмотрена история персонального компьютера, понятие и основные характеристики процессоров, а также основные элементы процессора. Во втором разделе рассматриваются назначение и функции центрального процессора, его функции и характеристики. В заключении обозначены выводы о проделанной работе.

Курсовая работа выполнена в программе Microsoft World.

1. Процессор персонального компьютера и его назначение.

1.1 История развития технологии производства процессоров.

Прежде чем углубляться в историю развития центральных процессоров, необходимо сказать несколько слов о развитии компьютеров в целом. Первые центральные процессорные устройства появились еще в 40-х годах XX века. Тогда они работали с помощью электромеханических реле и вакуумных ламп, а применяемые в них ферритовые сердечники выполняли роль запоминающих устройств. Для жизнедеятельности компьютера на базе таких микросхем требовалось большое количество процессоров. Подобный компьютер являлся огромным корпусом размером с достаточно большую комнату. При этом он выделял большое количество энергии, а его быстродействие оставляло желать лучшего. Затрагивая период с сороковых по конец пятидесятых годов, процессоры создавались с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Их ставили в специальные разъёмы на модулях, котрые были собраны в стойки. Большое количество этих стоек, соединённых проводниками, в совокупности представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, небольшое быстродействие и большое тепловыделение. [4, с. 6]

Второй стадией, с середины пятидесятых до середины шестидесятых, стало введение транзисторов (транзистор – основной электронный компонент всей полупроводниковой электроники. Существует множество разновидностей транзисторов, обладающих различными свойствами. Однако в цифровой электронике на сегодняшний день чаще всего используются так называемые МОП-транзисторы. Сокращение «МОП» означает комбинацию основных составляющих материалов транзисторов – Металл-Оксид-Полупроводник.). Транзисторы устанавливались уже на близкие к современным по виду платам, монтированным в стойки. Как и раньше, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Выросло быстродействие, возросла надёжность, понизилось энергопотребление. Но производство транзисторов было очень трудоемким процессом. Они изготовлялись по отдельности, и при сборке схем их приходилось соединять и спаивать вручную. В 1958 г. Джек Килби придумал, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов. В 1959 г. Роберт Нойс изобрел более лучший метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Эти электронные схемы стали называться интегральными схемами или чипами. [16]
Третьей стадией, наступившим в середине шестидесятых годов, стало использование микросхем. В начале использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, но позже по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы - элементарные регистры, счётчики, сумматоры), немного позже появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора - микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртой стадией стало создание микропроцессора, при котором на одной микросхеме физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-х разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Он содержал 2300 транзисторов, за один такт обрабатывал 4 бита данных и выполнял 60 000 операций в секунду. В 1972 году был выпущен его преемник - 8-разрядный микропроцессор 8008. В конце 1973 г. Intel выпустила микропроцессор 8080, быстродействие которого было в 10 раз выше, чем у 8008, и который мог адресовать память объемом до 64 Кбайт. Это стало началом и толчком к производству персональных компьютеров. [1, 5с.].

С течением времени практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Позже, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора.

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Правда из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Сразу же проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс более лучший защищённый режим, 32-битную адресацию, позволявшую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели. Вместе с ней развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель. В современных компьютерах процессоры выполнены в формате компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в zif-сокет. Значительное большинство современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавних пор даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов. [8, 13с.]

В начале 70-х годов 20 века благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микросхем, стало возможным разместить все необходимые компоненты центрального процессора в одном полупроводниковом устройстве. Появились так называемые микропроцессоры. На данный момент слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 80-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Надо сказать, что переход к микропроцессорам позволил позже создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом. За годы существования технологии микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например Intel x86, развившаяся вначале в 32 бит IA32 а позже в 64 бит x86-64. Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, Power, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC — архитектуры) и IA-64 (EPIC - архитектура). Большинство процессоров используемых в настоящее время являются Intel-совместимыми, т. е. имеют набор инструкций и пр., как процессоры компании Intel. Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM.

1.2 Понятие и основные характеристики процессоров

Наверное, невозможно найти человека, который бы никогда не видел компьютер, но многие ошибочно воспринимают персональный компьютер и подключенные к нему устройства, как единое целое (хотя возможно и такое - например, Notebook). На самом деле, когда вы смотрите на компьютер, то видите и монитор, клавиатуру, мышь и, возможно, принтер, сканер, модем или что-либо другое…Все эти устройства выполняют определенные функции и вносят посильную лепту в «общее дело». Но компьютером обычно мы называем системный блок.

Теперь небольшое теоретическое отступление. Основное назначение любого компьютера — это обработка информации. Информация в компьютере проходит четыре основных этапа: ввод, непосредственно обработку, хранение и вывод. Следовательно, внутренние компоненты и подключенные к компьютеру устройства также можно разделить на соответствующие группы:

• устройства ввода информации (клавиатура, дисковод, сканер и др.);

• устройства обработки информации (процессор, контроллеры);

• устройства хранения информации (дискеты, диски, ПЗУ, ОЗУ и др.);

• устройства вывода информации (монитор, принтер, звуковые колонки и др.).

Конструктивно эти группы можно объединить в одном корпусе размером с книгу (например, компьютеры класса Notebook - записная книжка или выполнить в виде нескольких отдельных устройств.

Устройства обработки и хранения информации, адаптеры для периферийных устройств, а иногда и сами периферийные устройства (например, внутренний модем) объединяются в системный блок. А персональный компьютер, как правило, состоит из системного блока, монитора, клавиатуры и мыши. Это необходимые составляющие ПК, без которых современный компьютер просто не будет работать (если честно, то компьютер может «работать» и без монитора - это пользователь не сможет работать на таком, с позволения сказать, компьютере). [1, с.8].

Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство -ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно - центральное обрабатывающее устройство) - электронный блок, либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

В начале термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Благодаря довольно точному соответствию этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. 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.

Глaвными характеристиками центрального процессорного устройства являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров), и архитектура.

Тактовая частота– это то количество элементарных операций (тактов), которые процессор может выполнить в течение секунды. Само собой, это число очень велико, и каким-то образом увидеть отдельный такт мы не можем. Не то что часы, где мы видим как они тикают с частотой один такт в секунду! Сравнительно недавно этот показатель для пользователей был, не то что самым важным, а единственно значимым. А увеличение быстродействия новых процессоров было связано в первую очередь с увеличением тактовой частоты. В своё время Гордон Мур из Intel предсказал, что каждые полтора года частота микропроцессоров будет удваиваться вместе с числом транзисторов на кристалле – и до середины нынешнего десятилетия этот закон работал без сбоев. Тем не менее лет пять назад «задирать» частоту прекратили – и на сегодня быстродействие процессора растёт за счёт других показателей (например, увеличения количество ядер). Тактовая частота, впрочем, тоже растёт, но не так заметно, как десятилетие назад: за два последних года она увеличилась всего лишь на 25. На сегодня потолок – около 4 ГГц на ядро. Впрочем, и эту мощность мы толком-то и освоить не можем… [12, с.20].