Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Основные характеристики микропроцессоров ПК).pdf

- сумматоры,

- буферные и рабочие регистры,

- специализированные аппаратные средства (блок ускоренного умножения),

- собственный блок управления (иногда).

Во многих современных процессорах операции с плавающей точкой выполняются в отдельном блоке, который имеет собственные регистры данных, регистры управления и работает параллельно с блоком операций с фиксированной точкой.

Сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) – (регистровый файл) содержит регистры общего назначения, в которых хранятся данные и адреса.

Устройство предвыборки команд и данных включает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память процессора (кэш первого уровня).

Блок предвыборки команд осуществляет формирование очереди команд, причем выборка из памяти осуществляется в промежутках между магистральными циклами команд.

Во внутренней кэш-памяти осуществляется буферизация часто используемых команд и данных. Благодаря этому существенно повышается производительность процессора, сокращается число обращений к ОП.

Устройство управления памятью (диспетчер памяти) предназначено для сопряжения ЦП и подсистемы ввода/вывода с ОП. Оно состоит из блока сегментации и блока страничной адресации, осуществляющих двухступенчатое формирование физического адреса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы.

Наличие двух этих блоков, их параллельное функционирование обеспечивают максимальную гибкость проектируемой системы.

Сегментация полезна для организации памяти локальных модулей и является инструментом программиста, в то время как страницы позволяют системному программисту эффективно использовать физическую память ЭВМ.

Интерфейс магистралиреализует протоколы обмена (связь по определенным правилам) ЦП с памятью, каналами (контроллерами) ввода/вывода и другими активными устройствами системы ЭВМ. Обмен осуществляется с помощью шин данных, адреса и управления.

В современных суперскалярных процессорах может использоваться от 2 до 6 параллельно работающих исполнительных устройств. Это могут быть:

- несколько целочисленных устройств;

- устройство плавающей точки (блок FРU);

- устройство выполнения переходов;

- устройство загрузки/записи.

Устройство выполнения переходов обрабатывает команды условных переходов. Если условия перехода доступны, то решение о направлении перехода принимается немедленно, в противном случае выполнение последующих команд продолжается по предположению (спекулятивно).

---

Пересылки данных между кэш-памятью данных, с одной стороны, и регистрами общего назначения и регистрами плавающей точки, с другой, обрабатываются устройством загрузки/записи.

4 глава. Основные характеристики микропроцессоров ПК

1. Разрядность(мощность) - это максимальная разрядность целочисленных данных, которые обрабатываются за 1 такт, то есть это фактически разрядность арифметико-логического устройства (АЛУ). Количество бит в машинном слове называется разрядностью. Чем больше разрядность, т.е. чем длиннее машинное слово, тем быстрее передаётся и обрабатывается информация, тем быстрее работает компьютер.

Применительно к микропроцессору, различают три вида разрядности:

1.Разрядность регистров микропроцессора;

2.Разрядность шины данных;

3.Разрядность шины адреса.

Разрядность регистров - это длина машинного слова внутри микропроцессора. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти процессора- вместимостью регистров. Когда классифицируют микропроцессор и употребляют термин "разрядность микропроцессора", то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов.

Разрядность шины данных. Под шиной данных понимается группа проводников, по которым от микропроцессора к другим устройствам компьютера передаются данные. Разрядность шины данных – это число проводников в ней. Этот вид разрядности диктует длину машинных слов при передаче информации вне процессора, т.е. это длина "внешнего машинного слова". Длина машинных слов внутри микропроцессора и длина внешнего машинного слова могут не совпадать. Например, первый микропроцессор, устанавливавшийся на персональный компьютер IBM РС (Intеl 8088), имел внутреннюю разрядность 16 бит, а длину внешнего машинного слова- всего 8 бит. В его современнике Intеl 8086 длина внешнего машинного слова была увеличена до размеров разрядности регистров, т.е. до 16 бит, что дало прирост производительности микропроцессора на 40% при той же тактовой частоте. Схожее несовпадение разрядности компания Intеl применила на микропроцессоре 80386Sх, а также на всех процессорах Реntium (исключая последние 64-разрядные).

Разрядность шины адреса- это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от микропроцессора к оперативной памяти передаётся информация для определения ячеек памяти, к которым надо получить доступ. Чем шире шина адреса, тем к большему числу ячеек памяти может адресовываться микропроцессор. Адресное пространство микропроцессора, т.е. наибольший теоретически возможный размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора, определяется величиной 2n, где n- разрядность адресной шины. Например, у Intеl 8088 и Intеl 8086 адресная шина имела 20 проводников. Наибольший размер оперативной памяти у компьютеров с таким микропроцессором был не более 220 = 1048 000 байт, т.е. 1 Мбайт. У процессора следующего поколения, Intеl 80286, была 24-разрядная шина адреса, что увеличило максимум адресуемой оперативной памяти до 16 Мб. Начиная с Intеl 80386, микропроцессоры Intеl длительное время имели 32-битную шину адреса и соответственно адресное пространство 4 Гб.

---

2. Тип ядра и технология производства. Технология определяется толщиной минимальных элементов процессора, — чем более «тонкой» становится технология, тем больше транзисторов может уместиться на кристалле. Кроме этого, переход на новую технологию помогает снизить энергопотребление и тепловыделение процессора, что очень важно для его стабильной работы.

Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного «ядра»

3.Производительность - Производительность процессора измеряется во Флопсах. Флопс -это количество элементарных операций (тактов) выполняемых за 1 секунду с плавающей запятой. Флопс бывает:1Флопс=10 (нулевая степень), 1Килофлопс = 10³ степени, 1 Мегафлопс = 10⁶ степени, 1 Гигафлопс = 10⁹ степени, 1 Террафлопс = 10¹² степени.

Пусть у нас имеется процессор АMD Аthlоn Соrе2/3,5HHz, пусть процессор выполняет 4 операции за 1 такт времени в каждом ядре, вычислим его производительность:4х4х3,5ГГц=56( Гигафлопс) или 56 миллиардов операций в 1 секунду.

Надо помнить, что количество тактов выполняемых процессором не всегда совпадает с фактическим количеством операций в 1 секунду! И вот почему:

1) для выполнения многих математических операций процессору требуется несколько тактов,

2) конкретное количество операций зависит от типа процессора(чем выше тип, тем меньше требуется количество тактов на выполнение операций),

3) компоненты физической схемы компьютера влияют на скоростьвыполнения,

4) быстродействие в основном определяется тактовой частотой процессора, чем она выше, тем больше скорость выполнения операций в 1 секунду!

4.Тактовая частота (быстродействие) — процессора или такт ядра процессора — промежуток между двумя импульсами тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду).

Выполнение различных элементарных операций может занимать от долей такта до многих тактов в зависимости от команды и процессора. Общая тенденция заключается в уменьшении количества тактов, затрачиваемых на выполнение элементарных операций.

5. Объем кэш-памяти, которая имеет два уровня: L1 – память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы микропроцессора и работающая всегда на полной частоте микропроцессора; L2 – память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате микропроцессора и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной, может работать на полной или половинной частоте микропроцессора.

---

6. Архитектура МП. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектурамикропроцессора – это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

Заключение 

В настоящей работе в качестве объекта изучения были микропроцессоры ПК. В ходе работы были подробно раскрыты основные понятия, которые используются в данной теме; предоставлена подробная характеристика элементов микропроцессоров и их классификация; рассмотрена основные характеристики и структура микропроцессоров ПК.

Микропроцессором является основная микросхема персонального компьютера, благодаря которой производятся практически все вычисления. 

Микропроцессоры нечем заменить в современной технике. Например, процесс управления современным двигателем, с одновременным обеспечением максимально экономичного расхода топлива и ограничением максимально допустимой скорости движения транспорта с контролем текущих неисправностей немыслим без микропроцессоров. Также одной из перспективных сфер их применения является современная бытовая техника - использование микропроцессоров позволяет ей обрести широкий спектр дополнительного функционала.

Успехи, которые достигнуты с момента изобретения микропроцессора, более четверти века назад в то время невозможно было и вообразить. Если данная тенденция развития сохранит свою динамику, то, вполне возможно, к 2021 г. стандартные микропроцессоры будут использовать тактовую частоту 10 (ГГц). При этом количество транзисторов на каждом микропроцессоре будет не менее 1 миллиарда, а вычислительная мощность в свою очередь – до 100 миллиардов операций в секунду. Тяжело даже себе даже вообразить, как выросшая до таких параметров мощность процессоров увеличит сферу их применения, как в бизнесе, так и в области телекоммуникационных технологий. Как в быту, так и на производстве возникнет более совершенная информационная среда, что позволит в разы повысить функционал информационных систем и расширить их возможности.[3,С.82] 
Будущее микропроцессорной техники на текущий момент зиждется на двух новых направлениях - квантовые вычислительные системы и нанотехнологии. Эти, на данный момент еще пока теоретические исследования касаются непосредственного использования в качестве составных компонентов логических схем молекул и даже мельчайших субатомных частиц. Основной средой для вычислений при этом будут не электрические цепи, как в настоящий момент, а положение отдельных частиц, атомов или даже направление вращения отдельных электронов. Если такие компьютеры все-таки будут созданы, то они значительно обойдут современные компьютеры по всем параметрам, оставив их далеко позади. 

---