Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Микропроцессор. История возникновения. Виды и характеристики современных микропроцессоров).pdf

Арифметические операции, к коим почаще всего относят операции склады и вычитания. Умножение и дележ как правило реализуется с поддержкой особых программ. Логические операции, которые позволяют компьютеру производить анализ получаемой информации. Простыми примерами команд могут рассматриваться группы которые служат сравнение, а также известные логические операции и, или, не двоичного кода влево и вправо. В некоторых случаях сдвиги используются для реализации умножения и деления. [5]

Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства определяются уникальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.

Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда относят условный и безусловный переходы, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Часто к этой группе относят операции по управлению процессором типа останов или нет операции.

Таким образом, микропроцессор выполняет следующие функции:

• выборку команд программы из основной памяти;
• дешифрацию команд;
• выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;
• управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;
• отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;
• управление и координацию работы основных узлов МП.

3.Особенности современных микропроцессоров ПК

Современные микропроцессоры – это такие же быстрые и умные микросхемы в мире. Они могут совершать до 4 млрд. операций в секунду и взаимодействуют с использованием множества других технологий. С начала 90-х годов ХХ века, когда процессоры пошли в массовое использование, они пережили несколько ступеней развития. Апогеем развития микроцессорных структур, которые используют существующие технологии микропроцессоров 6-го поколения, считается 2002 год, когда стало доступным использование всех стандартных свойств кремния для получения больших частот при наименьших потерях при производстве и воссоздании логических схем. На сегодня эффективность новых процессоров немного падает несмотря на постоянный рост частоты работы кристаллов, потому что кремниевые технологии приближаются к пределу своих возможностей.

3.1 Технологии современных микропроцессоров.

Микропроцессоры, разработанные в последнее время, начиная с микропроцессоров Pentium (как фирмы Intel, так и других производителей), имеют следующие особенности (приложение 3):

1. суперскалярную архитектуру;
2. раздельное кэширование программного кода и данных;
3. блок предсказания правильного адреса перехода;
4. поддержку многопроцессорного режима работы;
5. средства задания размера страницы памяти;
6. средства обнаружения ошибок и функциональной избыточности;
7. управление производительностью. [7]

Суперскалярная архитектура определяет наличие двух и более конвейеров (вычислительных блоков), что позволяет выполнять 2 или более команд за один период тактовой частоты. Каждый конвейер выполняет команду за следующие этапы:

- предварительная подготовка;

- декодирование команды;

- генерация адреса;

- выполнение;

- запись.

Это позволяет нескольким командам находиться в разных стадиях выполнения, тем самым увеличивается вычислительная производительность микропроцессора. Каждый конвейер имеет свое АЛУ, совокупность устройств генерации адреса и интерфейс кэширования данных. [7]

Если наличия одного блока кэш-памяти происходит конфликт между процессом предварительной подготовки команды и доступом к данным. Выполнение раздельного кэширования для команд и данных (как в микропроцессоре Pentium) исключает такие конфликты, давая возможность обеим командам выполняться одновременно.

Блок предсказания правильного адреса перехода прогнозирует, какая ветвь программы будет затребована, основываясь на допущении; что предыдущая ветвь будет использоваться снова.

Новейшие микропроцессоры (начиная с Pentium) содержат усовершенствования, присущие проектированию класса больших ЭВМ такие, как внутреннее определение ошибок и контроль за счет функциональной избыточности.

Кроме того, новейшие микропроцессоры обладают следующими особенностями:

- обработка нескольких блоков данных одной командой (технология SIMD – Single Instruction Multiple Data – один поток команд множество потоков данных);

- технология динамического исполнения команд (Dynamic Execution);

- предсказание ветвлений, которое позволяет прогнозировать исполнение программы по нескольким возможным путям и ускоряющее поступление данных;

- упреждающее исполнение комaнд в оптимальном порядке повышающее общую производительность (обеспечивaя постоянную загрузку блоков суперскaлярных вычислений);

- возможность одновременной обрaботки множества запросов через системную шину;

- нaличие потоковых SIMD-расширений таких, как: команды групповой обработки дaнных с плaвающей точкой; дополнительные команды групповой обработки целочисленных дaнных; команды управления кэшироaанием.

Преимущество потоковых SIMD-рaсширений:

- возможности просмотра и обрaботки изображения с большим качеством и рaзрешением;

- воспроизведение высококaчественного звука и видео при одновременном кодировании и декодировaнии;

- высокая точность распозaавания речи.

3.2 Будущие технологии производстaа микропроцессоров

На этот момент ведомо, собственно что имеющие место быть КМОП-транзисторы имеют довольно большое количество ограничений и не дают возможность в ближнем будущем увеличивать частоты микропроцессоров еще безболезненно. В конце 2003 года на Токийской конференции специалисты Intel создали довольно весомое утверждение о разработке свежих ма-териалов для полупроводниковых транзисторов грядущего. Быстрее всего, речь идет о новеньком диэлектрике затвора транзистора с высокой диэлектрической проницаемостью (так именуемый «high-k»-материал), который станет использоваться в обмен применяемого на этот момент диоксида кремния (SiO2), а еще о свежих метал-лических сплавах, которые совместимы с свежим диэлектриком за-твора. Заключение, которые предложили исследователями, понижает ток утечки в 100 раз, собственно что разрешает впритирку подойти к внедрению производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров. Оно рассматривается специалистами как небольшая революция в мире микроэлектронных технологий. Настолько небольшая толщина диэлектрика необходима для получения не лишь только маленьких габаритов транзистора в общем, но и для его наивысшего быстродействия (заряженные частички передвигаются скорее сквозь затвор, в итоге чего подобный VT имеет возможность переключаться до 10 млрд один в секунду). Упрощенно - чем поближе затвор к каналу транзистора (то есть, чем тоньше диэлектрик), что «большее влияние» в проекте быстродействия он станет оказывать на электроны и дырки в канале транзистора (приложение 4).

Но с другой стороны, такой тонкий диэлектрик пропускает очень много паразитные токи электронов утечки из затвора в канал (идеальный МОП-транзистор должен пропускать ток от истока к стоку и не пропускать - от затвора к истоку и стоку). И в современных высокоинтегрировaнных микросхемах с сотнями миллионов трaнзисторов на одном кристалле токи утечки затворов становятся одной из фатальных проблем, препятствующих дальнейшему наращиванию количества транзисторов на кристaлле. Более того, чем меньше по размерам мы делаем транзистор, тем тоньше нужно делать подзатворный диэлектрик. Но при его толщинах менее 1 нм резко (по экспоненте) возрастают туннельные токи утечки, что делает принципиально невозможным создание традиционных транзисторов менее определенных «горизонтальных» размеров (если при этом мы хотим получить от них хорошие скоростные характеристики). По оценкам экспертов, в

передовых чипах практически 40% энергии имеет возможность теряться по причине утечек.

В следствие этого значимость открытия научных работников Intel невозможно недооценивать. Впоследствии 5 лет изучений в лабораториях компании разработали особый ткань, позволяющий поменять обычный диоксид кремния в простом маршруте изготовления микросхем. Запросы к этому материалу очень серьезны: высочайшая химическая и механическая (на атомарном уровне) сопоставимость с крем-нием, комфорт изготовления в едином цикле обычного кремниевого техпроцесса, но ключевое - невысокие утечки и высочайшая диэлектрическая проницаемость (приложение 5).

Отметим также еще одно технологическое новшество Intel - технологию напряженного (strained) кремния, которая впервые используется в 90-нанометровых процессорах Prescott и Dothan. Наконец-то, компания Intel в подробностях рассказала, каким именно образом происходит формирование слоев напряженного кремния в ее КМОП-структурах. КМОП-ячейка состоит из двух транзисторов - n-МОП и p-МОП (приложение 6).

В первом (n-MOS) канал транзистора (n-канал) проводит ток при помощи электронов (отрицательно заряженных частиц), а во втором (p-MOS) - при помощи дырок (условно положительно заряженных частиц). Соответственно, и механизмы формирования напряженного кремния у этих двух случаев различны. Для n-MOS-транзистора используется внешнее покрытие слоем нитрида кремния (Si3N4), который за счет механических напряжений немного (на доли процента) растёт (в направлении протекания тока) кристaллическую решетку кремния под затвором, в результате чего рабочий ток канала возрастает на 10% (условно говоря, электронам становится более просторно двигаться в направлении канала). В p-MOS-транзисторах все наоборот: в качестве материала подложки (точнее - только областей стока и истока) используется соединение кремния с германием (SiGe), что немного сжимает кристаллическую решетку кремния под затвором в направлении канала. Поэтому дыркам стaновится «легче» «передвигаться» сквозь акцепторные атомы примеси, и рабочий ток канала возрастает на 25%. Сочетание же обеих технологий дaет 20-30-процентное усиление тока. Тaким образом, применение технологии «напряженного кремния» в обоих типах устройств (n-MOS и p-MOS) приводит к знaчительному повышению производительности трaнзисторов при повышении себестоимости их производства всего лишь на ~2% и позволяет создавать более маленькие транзисторы следующих поколений. В планах Intel - использовать напряженный кремний для всех будущих техпроцессов вплоть до 22-нанометрового.

Заключение

При ходе вопроса о свойствах процессора были рассмотрены эти характеристики как: тактовая частота, разрядность процессора величина кэш-памяти, образ ядра, форм-фактор.

По предлогу систематизации были рассказаны эти аспекты для сравнения процессоров как по области использования, по внутренней структуре, по типу возведения микропроцессоров. В последние факторы случились категоричные конфигурации в области вычислительной техники.

Спасибо разработке и внедрению процессоров в структуру ЭВМ были замечены компактные, благоприятные для юзера персональные компы и в роли юзера вероятна не лишь только специалист по вычислительной технике, но и всякий человек.

Впрочем процесс увеличения быстродействия микропроцессорных приборов увеличивается непреклонно вперед и в реальное время есть процессоры, малое время выполнения команды у кото-рых добивается 5 нс. При поддержке передовых процессоров уже сейчас вполне вероятно делать и создавать системы управления с полосой пропускания в 10-ки и в том числе и сотки Кгц. На этот момент, аналоговые системы не обращая внимания на буквально секундное протекание сигналов так-же имеют конечным быстродействием по причине не идеальности компонентов и присутствия паразитных реактивных связей в системе. Кратковременные характеристики цифровых систем, в сопоставлении от аналоговых, не изменяются с течением времени и не находятся в зависимости от наружных моментов.

Возможно устроить вывод, собственно что в реальное время, спасибо всему вышеперечисленному идет полномасштабное внедрение микропроцессорной техники во все сферы работы, где ещё не так давно господствовали аналоговые способы обработки инфы.

В современном мире, преобразовательные техники микроконтроллеры делают не лишь только эру конкретного управления полу-проводниковым преобразователем за счет интегрированных специализированных периферийных приборов, но и роль цифрового регулятора, системы обороны и диагностики и системы связи с технологической сетью высочайшего значения.Список использованной литературы

1. Вычислительные машины, системы и сети. Учебник под редакцией А.П. Пятибратова. - :Финансы и статистика,2007.

2. Еремин Е. А. Как работает современный компьютер. – Пермь, 2007.

3. Зальцман Ю. А. Архитектура и программирование на языке ассемблера БК- 0010. Информатика и образование, 2006, №1-4.

4. Острейковский В.А. Информатика: Учебник. – М.: Высшая школа,2006.