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

Введение

Один из главных компонентов любого персонального компьютера - это микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации. Если представлять ПК как живой организм, то процессор в нём будет занимать место сердца, за аналогичную функцию.

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Актуальность этой темы состоит в том, что микропроцессор компьютера является основой современной компьютерной техники. Компьютерная техника лежит в основе современного прогресса. Она обеспечивает работу современных станков, контроль технологических процессов на производстве, связь на всех уровнях (от межгосударственного до бытового). С помощью нее проводятся сложные и трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы конструирования, разработки, фундаментальные исследования, то есть задает темпы прогресса. И в зависимости от того, как будет в будущем меняться мощность этой маленькой детали, будет зависеть производительность всей компьютерной техники в целом.

В микропроцессорах - наиболее сложных микроэлектронных устройствах - воплощены самые передовые достижения инженерной мысли. В условиях свойственной данной отрасли производства жесткой конкуренции и огромных капиталовложений выпуск каждой новой модели микропроцессора, так или иначе, связан с очередным научным, конструкторским, технологическим прорывом.

В микропроцессорах нашли отражение высокие научно-технические достижения в области физики твердого тела, кристаллографии, радиотехники и электроники, математики и автоматизации, кибернетики и электроники. Известны различные применения микропроцессоров. Важнейшими из них являются: автоматизация электротехнического оборудования, управление производством, физическое и математическое моделирование, обработка результатов экспериментов, управление приборами и искусственными органами в медицине, обеспечение безопасности движения на транспорте и т.д.

Цель данной курсовой работы: рассмотреть классификацию, структуру и основные характеристики микропроцессоров ПК.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- раскрыть основные понятия темы;

- дать общую схему классификации микропроцессоров;

- рассмотреть структуру микропроцессоров;

- рассмотреть основные характеристики микропроцессоров ПК;

- рассмотреть внутреннюю архитектуру МПЦ;

- рассмотреть алгоритм работы микропроцессора.

Данная курсовая работа выполнена на компьютере Intel Core 2 Quad q8400 c программным обеспечением Windows 7 SP1.

Глава 1. Классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров ПК

1.1 Определение микропроцессора

Микропроцессор — это особая категория устройств, которая относится к разряду программно управляемых. Основной задачей этого устройства является обработка электронной информации. Основными критериями, которых придерживаются компании при производстве микропроцессоров, являются небольшие размеры и высокая функциональность. В основе микропроцессором лежат сверхбольшие интегральные схемы, которые обладают следующими преимуществами:

- дешевизна;

- простота производства;

- маленькие размеры;

- высокая производительность;

- низкое потребление электроэнергии.

Стоит отметить, что различные типы микропроцессоров обладают и различными конструктивными особенностями, которые, в свою очередь, зависят от типа архитектуры, на базе которой они были изготовлены.

Начало 70-х годов ознаменовалось рождением нового и, как оказалось, весьма перспективного и беспрецедентного по своим последствиям направления в развитии вычислительной техники – в 1971 г. был выпущен первый в мире микропроцессор. С тех пор за короткое время появилось несколько поколений микропроцессоров, а для прогнозирования перспектив их будущих применений не хватает даже самой богатой фантазии. Совершенствование микропроцессоров идёт параллельно с развитием микроэлектронной технологии, которая позволяет размещать на кристалле всё больше и больше логических схем.

Микропроцессоры, а в более общем плане – большие и сверхбольшие интегральные схемы, революционизировали вычислительную технику в том отношении, что она становится всё более дешёвой, массовой и надёжной, а её применение оказывается экономически эффективным практически во всех областях народного хозяйства. По существу, микропроцессорная техника является фундаментом грандиозной программы компьютеризации общества.

История развития однокристальных микропроцессоров в 1970-х – 1990-х годах показывает их эволюцию от первого 4-битного микропроцессора Intel 4004 через 8- и 16-битные устройства к более новым 32-битным процессорам, функциональные возможности которых превосходят возможности процессоров крупных компьютеров прошлого. И хотя первые микропроцессоры подходили только для калькуляторов и простых контроллеров, современные микропроцессоры используются в качестве ЦП сложных компьютеров широкого назначения.

По степени интеграции микропроцессорных приборов традиционно различают:

- малую (МИС) – менее 10 логических вентилей;

- среднюю (СИС) – от 10 до 100 вентилей;

- большую (БИС) – от 100 до нескольких тысяч вентилей;

- сверхбольшую (СБИС) – десятки тысяч вентилей.

Все современные микросхемы имеют сверхбольшую степень интеграции (на самом деле, они содержат десятки миллионов логических вентилей).

Микропроцессоры фирмы Intel в значительной степени определяют направление развития компьютерной техники. Каждые несколько лет фирма Intel демонстрирует новые прорывы в своей технологии, существенно меняя наши представления о возможностях компьютеризации. Базовое семейство микропроцессоров Intel началось с первого в мире 4-битного микропроцессора 4004 (1971), ориентированного на применение в микрокалькуляторах. Затем фирма Intel выпустила 8-битные микропроцессоры 8008 (1972), 8080 (1974) и 8085 (1976), достаточно мощные для построения небольшого компьютера. Они могли выполнять двоичные и двоично-десятичные5 16-битные арифметические операции и адресовать память до 64 Кбайт с помощью 16-битной шины данных. Наконец, был выпущен 16-битный микропроцессор 8086 (1978) с его 8-битным вариантом 8088 (1979) и расширенными вариантами 80186 и 80286 (1982), обладающими более высоким быстродействием и дополнительными возможностями. Процессоры 8086, 8088 и 80186 могли оперировать с 32-битными двоичными и 16-битными двоично-десятичными числами и адресовать память до 1 Мбайт блоками по 64 Кбайт. Новое поколение микропроцессоров ознаменовалось появлением 32-битных процессоров 80386 (1985) и 486SX (1989), которые могли адресовать до 4 Гбайт памяти и выполнять несколько задач одновременно. За 18 лет производительность микропроцессоров фирмы Intel выросло от 60 тыс. до 41 млн операций в секунду. Процессор 486DX имел дополнительно встроенные кэш-память первого уровня и устройство обработки чисел с плавающей точкой, а следующие процессоры фирмы Intel – 64-разрядную шину данных, возможность обработки нескольких инструкций одновременно и набор дополнительных регистров и инструкций. Таковы процессоры Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro и Pentium II. Последние два из них также содержат в одном корпусе с процессором встроенную кэш-память второго уровня.

Но фирма Intel не является монополистом в области разработки микропроцессоров. Группа инженеров, отделившихся от фирмы Intel и образовавших фирму Zilog, выпустило 8-битный микропроцессор Z80 (1976), аналогичный Intel 8080, но содержащий дополнительные регистры и команды. Большинство программ процессора 8080 могут выполняться и на процессоре Z80. Аналогичные 8-битные микропроцессоры были выпущены и другими фирмами: процессор 6800 – фирмой Motorola, процессор 6502 – фирмой MOS Technology. Ещё позже фирма Motorola выпустила микропроцессор 68000 (1980), который имеет 16-битную шину данных, но может обрабатывать 32-битные данные и адресовать память до 4 Гбайт. Он выполнял около 800 тыс. операций в секунду. Его преемниками стали микропроцессоры 68010, 68020 и 68030, длительное время составлявшие основную конкуренцию микропроцессорам фирмы Intel.

Другой группой конкурентов фирмы Intel являются фирмы, выпускающие микропроцессоры, совместимые с процессорами фирмы Intel. Таковы фирмы AMD, Cyrix, NexGen, Centaur Technology. Большинство из этих фирм сначала выпускало копии микропроцессоров 80386 по лицензии фирмы Intel, а затем лицензия была отозвана, и таким фирмам пришлось самостоятельно разрабатывать свои следующие микропроцессоры.

Динамика мирового объёма продаж 16-битных микропроцессоров в середине 1980-х годов (по данным журнала «Электроника») имела следующий вид: 1984 г. – $440 млн., 1985 – $550 млн. и 1986 – $690 млн. Наиболее популярны тогда были процессоры Intel 8086, Zilog Z8000 и Motorola M68000. Прогнозировали, что к 1990 г. объём их продаж достигнет $2 – 3 млрд.

С 1990 г. прогресс не стоял на месте имикропроцессоры пережили уже несколько поколений. В 2015 г. IBM объявила о создании первых рабочих образцов процессоров с транзисторами размером 7 нанометров. Хотя в продажу подобные чипы поступят не раньше, чем через пару лет, достижение корпорации и ее партнеров является важнейшим прорывом сразу по нескольким причинам. Технология позволит размещать на одном чипе размером с человеческий ноготь до 20 млрд транзисторов и использовать их во множестве разных устройств: от смартфонов до космических кораблей.

Технологии для производства 7-нанометровых процессоров пришлось собирать буквально с миру по нитке. IBM заручилась поддержкой GlobalFoundries, Samsung, STMicroelectronics а также ряда поставщиков специализированного оборудования. Впервые каналы транзисторов используют не чистый кремний, а комбинацию кремния и германия. Кроме того, впервые продемонстрирована потенциально коммерциализируемая технология производства процессоров с использованием фотолитографии в глубоком.

По утверждению представителей IBM, инженерам корпорации удалось достичь увеличения плотности размещения элементов по отношению к самому передовому сегодня 10-нм технологическому процессу почти на 50%. Шаг между элементами на таком чипе составляет всего 430 нм. По сравнению с 10-нанометровыми чипами ожидается 50-процентный выигрыш не только в производительности, но и в энергопотреблении. Это значит, что нынешние прогрессивные 14-нанометровые чипы будут казаться рядом с 7-нанометровым устаревшими, медленными и горячими “динозаврами”.

1.2 Классификация микропроцессоров

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).

Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ).

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсный процессор позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.