Файл: Основные функции процессора и классификация процессора персонального компьютера..pdf

Введение

Процессор (или центральный процессор, ЦП) - это транзисторная микросхема, которая является главным вычислительным и управляющим элементом компьютера.

Английское название процессора - CPU (Central Processing Unit).

Важность процессора для любого персонального компьютера трудно переоценить. Это электронное устройство сравнительно мало по размерам, но потребляет значительный процент энергии, получаемой от блока питания, а его стоимость составляет львиную долю стоимости компьютера. Не случайно многие люди, обычно не очень сведущие в компьютерной терминологии, ассоциируют процессор с самим компьютером. Хотя это, конечно же, ошибочная точка зрения, но причины подобной ассоциации нетрудно понять. Ведь процессор вполне можно уподобить мозгу компьютера, и в таком случае он будет олицетворять суть компьютера, и идентифицировать его точно так же, как мозг человека олицетворяет суть человека и идентифицирует его личность.

Цель данной работы - рассмотреть назначение, основные функции процессора и классификации процессора персонального компьютера.

С учетом поставленной цели, будут следующие задачи:

- проанализированы общие сведения о работе процессора;

- рассмотрены функции и классификации процессоров.

Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и библиографии.

Глава 1 Общие сведения о работе процессора персонального компьютера

1.1 Принцип работы процессора

Чтобы непрофессионалу стало понятно, как работает центральный процессор компьютера, рассмотрим из каких блоков он состоит^[1]:

- блок управления процессором;

- регистры команд и данных;

- арифметико-логические устройства (выполняют арифметические и логические операции);

- блок операций с действительными числами, то есть с числами с плавающей точкой или проще говоря с дробями (FPU);

- буферная память (кэш) первого уровня (отдельно для команд и данных);

- буферная память (кэш) второго уровня для хранения промежуточных результатов вычислений;

- в большинстве современных процессоров имеется и кэш третьего уровня;

- интерфейс системной шины (Рис. 1).

Рисунок 1 – Упрощенная схема процессора

Алгоритм работы центрального процессора компьютера можно представить как последовательность следующих действий^[2].

Рисунок 2 - Принцип работы процессора

- Блок управления процессором берет из оперативной памяти, в которую загружена программа, определенные значения (данные) и команды которые необходимо выполнить (инструкции). Эти данные загружаются в кэш-память процессора.

- Из буферной памяти процессора (кэша) инструкции и полученные данные записываются в регистры. Инструкции помещаются в регистры команд, а значения в регистры данных.

- Арифметико-логическое устройство считывает инструкции и данные из соответствующих регистров процессора и выполняет эти команды над полученными числами.

- Результаты снова записываются в регистры и если вычисления закончены в буферную память процессора. Регистров у процессора совсем немного, поэтому он вынужден хранить промежуточные результаты в кэш-памяти различного уровня.

- Новые данные и команды, необходимые для расчетов, загружаются в кеш верхнего уровня (из третьего во второй, из второго в первый), а неиспользуемые данные наоборот в кэш нижнего уровня.

- Если цикл вычислений закончен, результат записывается в оперативную память компьютера для высвобождения места в буферной памяти процессора для новых вычислений. То же самой происходит при переполнении данными кэш-памяти: неиспользуемые данные перемещаются в кеш нижнего уровня или в оперативную память.

Последовательность этих операций образует операционный поток процессора. Во время работы процессор сильно нагревается. Чтобы этого не происходило нужно своевременно делать чистку ноутбука на дому.

Чтобы ускорить работу центрального процессора и увеличить производительность вычислений, постоянно разрабатывают новые архитектурные решения, увеличивающие КПД процессора. Среди них конвейерное выполнение операций, трассировка, то есть попытка предвидеть дальнейшие действия программы, параллельная отработка команд (инструкций), многопоточность а также многоядерность.

Многоядерный процессор имеет несколько вычислительных ядер, то есть несколько арифметико-логических блоков, блоков вычислений с плавающей точкой и регистров, а также кэш первого уровня, объединенных каждый в свое ядро. Ядра имеют общую буферную память второго и третьего уровня. Появление кэш-памяти третьего уровня как раз и было вызвано многоядерностью и соответственно потребностью в большем объеме быстрой буферной памяти для хранения промежуточных результатов вычислений^[3].

Основными показателями, влияющими на скорость обработки данных процессором является число вычислительных ядер, длина конвейера, тактовая частота и объем кэш памяти. Чтобы увеличить производительность компьютера часто требуется сменить именно процессор, а это влечет и замену материнской платы и оперативной памяти. Выполнить апгрейд, настройку и ремонт компьютера на дому в Москве помогут специалисты нашего сервисного центра, если вас пугает процесс самостоятельной сборки и модернизации компьютера.

1.2 Назначение устройства

За время существования электронная промышленность пережила немало потрясений и революций. Коренной перелом - создание электронных микросхем на кремниевых кристаллах, которые заменили транзисторы и которые назвали интегральными схемами. Со времени своего появления интегральные схемы делились на: малые, средние, большие и ультрабольшие (МИС, СИС, БИС и УБИС соответственно). Все больше и больше транзисторов удавалось поместить на всё меньших и меньших по размерам кристаллах. Следовательно, ультрабольшая интегральная схема оказывалась не такой уж большой по размеру и огромной по своим возможностям. Поэтому процессоры созданы именно на основе УБИС. Развитие микропроцессоров в электронной индустрии проходило настолько быстрыми темпами, что каждая модель микропроцессора становилась маломощной с момента появления новой модели, а ещё через 2-3 года считалась устаревшей и снималась с производства^[4].

Схема процессора представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема процессора ПК

Каждый микропроцессор имеет определённое число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ), и устройство управления.

Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора.

В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных.

Устройство управления реализует временную диаграмму и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора.

Среди отечественных БИС имеется три класса микропроцессорных БИС, отличающихся структурой, техническими характеристиками и функциональными возможностями: секционированные с наращиванием разрядности и микропрограммным управлением;  однокристальные микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ с фиксированной разрядностью и системой команд.

Вместе с периферийными БИС, выполняющими функции хранения и ввода-вывода данных, управления и синхронизации, сопряжения интерфейсов и. т. д., микропроцессоры составляют законченные комплекты БИС.

Секционированные микропроцессорные комплекты ( МПК ) допускают наращивание параметров (прежде всего разрядности обрабатываемых данных) и функциональных возможностей. Секционированные МПК ориентированы в основном на применение в универсальных и специализированных ЭВМ, контроллерах и других средствах вычислительной техники высокой производительности.

МПК на основе однокристальных микропроцессоров и однокристальные микроЭВМ, обладающие меньшей производительностью, но гибкой системой команд и большими функциональными возможностями, ориентированны на широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

На данный момент существует два направления в производстве микропроцессоров. Они различаются в принципах архитектуры. первое направление - это процессоры RISC архитектуры; второе - CISC.

Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computers) используют сравнительно небольшой (сокращённый ) набор наиболее употребимых команд, определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения CISC -процессоров исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Арифметику RISC - процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту (значит, и производительность) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC - процессоры с самого начала ориентированны на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC - процессорах. Поэтому RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высокопроизводительней, несмотря на больший обьём программ, на ( 30 % ). Дейв Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC:

- Любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа.

- Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины.

- Операции обработки данных реализуются только в формате “регистр - регистр“ (операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки\записи).

- Состав системы команд должен быть “ удобен “ для компиляции операторов языков высокого уровня.

Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Instruction Set Computers) - архитектура вычислений с полной системой команд. Реализующие на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности (от простых, характерных для микропроцессора первого поколения, до значительной сложности, характерных для современных 32 -разрядных микропроцессоров типа 80486, 68040 и др.)

1.3 Причины перегрева процессора ПК

Каждый процессор состоит из огромного количества микроскопических радиоэлементов. Чем их больше и чем выше тактовая частота процессора, тем больше процессор потребляет энергии. Мобильные процессоры для портативных компьютеров, планшетов и коммуникаторов рассчитаны на пониженное энергопотребление (до 35 Вт). Модели для настольных компьютеров потребляют от 130 Вт и больше. При этом большое количество тепла выделяется во вне, и, чтобы это тепло отвести от поверхности чипа, необходима хорошая система охлаждения.

При выборе системы охлаждение одним из важнейших параметров является значение TDP^[5] (Total Dissipated Power, общая рассеиваемая мощность).

Существует достаточно много способов снижения энергопотребления. Вот некоторые из них:

- Отключение модулей, понижение тактовой частоты, понижение рабочего напряжения при снижении нагрузки на процессор (для процессоров Intel - технология SpeedStep, для процессоров AMD – технология Cool&Quiet).

- Применение в производстве новых, прогрессивных материалов.

- Применение процессоров, работающих с пониженным напряжением питания (Low Voltage, Ultra Low Voltage).

Способы повышения производительности процессоров:

- Ускорение системной шины. Чем быстрее процессор получает данные и команды от запоминающих устройств ПК, тем меньше времени он тратит на ожидание, а значит и на выполнение программ.