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

Введение

На сегодняшний день самым активно развивающимся элементом компьютерных технологий является микропроцессор. Вычислительная техника пронизывает практически все отрасли деятельности производства, образования, здравоохранения, военная техника, т. е. все сферы жизни и деятельности человека. Основной элемент компьютера и другого вычислительного комплекса — это процессор и от его быстродействия зависит время обработки информации. Современная вычислительная техника идет по пути уменьшения размеров при резком возрастании производительности.

Актуальность данной темы определяется тем, что будущее развитие вычислительной техники на прямую связано с научными разработками в области создания микропроцессоров.

Это происходит благодаря интенсивному развитию технологии по которой изготавливаются микропроцессоры. Можно сказать, что развитие процессоров и, вместе с ними и вычислительной техники, на сегодняшний день имеют большие перспективы и возможности.

Цель проведенного исследования состоит в характеристике классификации, структуре и основных характеристик современных микропроцессоров ПК. Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. охарактеризовать историю создания микропроцессоров;
2. рассмотреть структуру микропроцессора и его технические характеристики;
3. провести характеристику классификации микропроцессоров.

Предметом проведенного исследования выступают современные показатели рынка IT-технологий. Объектом – современное развитие микропроцессоров ПК.

1. История развития и основные характеристики современных микропроцессоров ПК

1.1 Микропроцессоры ПК и их развитие

Центральный процессор (ЦП или центральное процессорное устройство - ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное вычислительное устройство) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами. [4, c. 28]

---

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия 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. [1, c. 63]

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели. [6]

---

История развития технологии производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства элементной базы. Первым этапом, затронувшим период с сороковых по конец пятидесятых годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое (по современным представлениям) быстродействие и большое тепловыделение. Вторым этапом, с середины пятидесятых до середины шестидесятых, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.Третим этапом, наступившим в середине шестидесятых годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем 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), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора - микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд. Четвёртым этапом 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. Постепенно 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. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора. [4, c. 36]

---

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. Но из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем 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 улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели. [7, c. 49]

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5?5?0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени 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.

1.2 Классификация архитектуры микропроцессоров ПК

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;

2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов [6].

Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:

m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

3) архитектурой. 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. [5, c. 101]

Микроархитектура микропроцессора - 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.

В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.

Возможная структура микропроцессора содержит элементы, входящие в большинство существующих микропроцессоров: шину ввода-вывода данных, умножитель-накопитель, сумматор-вычитатель, память данных, программ и коэффициентов, блок адресации, программный счетчик и генератор синхросигналов (Рис. 1).

Дополнительно к ним содержит три буферных ЗУ. Для вычисления с помощью такого микропроцессора необходимо в течение N тактов осуществить загрузку входного массива данных длиной N действительных слов в память данных, выполнить (N/2)log2N циклов вычисления базовой операции (если используется алгоритм по основанию 2), и в течение 2N тактов выгрузить N комплексных отсчетов вычисленных коэффициентов Фурье входного массива данных.

Рис. 1 Общая структура микропроцессора ПК [3, c. 91]

Дальнейшее повышение производительности может быть достигнуто на основе отказа от программируемых однопроцессорных архитектур и перехода к параллельно-конвейерным специализированным процессорам.

Процессор состоит из log2N процессорных элементов, выполняющих «бабочку», и log2 N—1 блоков коммутации, выполняющих перестановки данных в соответствии с графом реализуемого алгоритма. Он обеспечивает непрерывную обработку последовательности массивов входных данных по N отсчетов в каждом и формирование соответствующей последовательности выходных массивов комплексных коэффициентов Фурье по N комплексных отсчетов в каждом. Быстродействие конвейерных систем оценивается периодом ввода двух последовательных массивов входных данных, при котором система обеспечивает корректное выполнение заданной операции. [5, c. 122]

Рост быстродействия достигается за счет параллельной работы. Вторым существенным моментом, определившим резкий скачок производительности, является углубление специализации системы обработки данных. С другой стороны, программируемые системы позволяют решать широкий круг задач, однако, имеют свои недостатки, которые состоят в более низкой производительности и сложной аппаратной реализации таких систем. В связи с этим уместно заметить, что для систем подавляющее большинство алгоритмов, которые они должны выполнять, может быть сведено к некоторому базовому набору операций. Эта общность может быть изучена и использована затем для упрощения аппаратуры при сохранении достаточной степени гибкости.

---