Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (1. Характеристики центрального процессора).pdf

Введение

На сегодняшний день большое распространение среди обычных пользователей получили персональные компьютеры. Степень распространения данных технических устройств позволяет пользователям иметь меньшее представление о внутренней структуре аппаратной части при работе с программной составляющей. Именно из-за этого явления у пользователей возникают проблемы при ремонте или замены комплектующих персонального компьютера. Основой работы компьютера является центральное процессорное устройство, которое является наиболее важным и технологичным компонентом.

Актуальностью данной темы является сбор и структурирование знаний о функционале центрального процессора и его устройстве. Объектом исследования является центральный процессор и его устройство в целом. Предметом исследования является аппаратная и командная архитектура центрального процессора.

В данной работе рассмотрены основные характеристики центрального процессора, история его появления и развития, а также его устройство. Главными характеристиками центрального процессорного устройства являются: тактовая частота, производительность, нормы используемого при производстве литографического процесса, энергопотребление и архитектура. Сам процессор состоит из металлической поверхности, кристалла и текстолитовой подложки.

Так как основным предназначением центрального процессорного устройства является проведение вычислений, то для данного процесса необходимо сформировать специальный набор внутренних команд, необходимых для проведения операций.

Целью данной работы является структуризация знаний об архитектуре центрального процессора с анализом его функционала, устройства и архитектуры, как аппаратной, так и командной.

Задачами данной работы являются:

• обзор основных понятий касательно центрального процессорного устройства;
• рассмотрение истории появления и развития центрального процессора, начиная с первого поколения и до наших дней;
• изучение устройства центрального процессора с выделением основных составляющих;
• анализ аппаратной архитектуры центрального процессора с указание основных частей и конкретизацией разновидностей регистров;
• классификация основных видов архитектуры систем команд центрального процессора, краткий обзор каждой из конкретных командных архитектур.

В основу исследования легли книги по архитектуре персональных компьютеров из серии «Классика Computer Science» всемирно известных авторов, таких как Э. Таненбаум, Д. Паттерсон и Д. Хеннесси.

Таненбаум является заслуженным профессором Гарвардского университета, опубликовавшим много трудов в сфере информационных технологий, ставших фундаментальными. На его трудах основываются многие исследования, а его учеником был Линус Торвальдс, создатель операционной системы Линукс.

Паттерсон является заслуженным профессором Калифорнийского университета в Беркли, работающим в области микропроцессоров и информатики. Он известен своим вкладом в проектирование RISC-процессоров и создание принципа работы RAID-массивов.

Хеннесси является американским ученым, работающим в области микропроцессоров и информатики. Также он является основателем MIPS Computer Systems Inc. и ректором Стэнфордского университета.

Данные авторы публикуются довольно длительно время, имеют по несколько редакций каждой из своих работ и пользуются спросом у рядовых пользователей, так как описывают сложные технические термины легким для понимания языком.

1. Характеристики центрального процессора

1.1. Понятие центрального процессора

Центральный процессор является электронным блоком либо интегральной схемой, исполняющим инструкции машины, основная часть программируемого логического контроллера или аппаратного обеспечения компьютера.

Изначально термином «центрального процессорного устройства» описывался специализированный класс логических машин, которые предназначены для выполнения сложных компьютерных программ. Ввиду очень полного совпадения этого назначения с функциями компьютерных процессоров, которые существовали в то время, он стал использоваться для названия самих компьютеров^[1].

Термин центрального процессорного устройства был использован в компьютерной индустрии как минимум с начала 1960-х годов. Традиционно термин ЦПУ относится к процессору и его блоку управления, отделяя эти основные элементы компьютера от внешних компонентов, таких как основная память и схема ввода / вывода^[2].

Центральное процессорное устройство представляет собой электронную схему в компьютере, на которой выполняются команды компьютерной программы, исполняя основные арифметические, логические, контролирующие операции и указанные в инструкции операции ввода и вывода.

Главными характеристиками центрального процессорного устройства являются: тактовая частота, производительность, нормы используемого при производстве литографического процесса, энергопотребление и архитектура^[3].

Ранние центральные процессоры имели назначение уникальных составных частей с целью использования в уникальных или даже единственных компьютерных системах. Позже производители компьютеров перешли от невыгодной разработки узкоспециализированных процессоров к изготовлению многоцелевых устройств. В эпоху бурного развития мейнфреймов, полупроводниковых элементов и миникомпьютеров зародилась тенденция к стандартизации комплектующих, а при появлении интегральных схем она получила еще большую популярность. Путем создания микросхем была еще больше увеличена сложность центральных процессоров с одновременным уменьшением их физических размеров. Миниатюризация и стандартизация процессорных устройств стали приводить к глубокому внедрению в повседневную жизнь человека различных цифровых устройств. Устройства, основанные на современных процессорах, могут быть не только такими высокотехнологичными устройствами, как компьютеры, но и мобильными телефонами, калькуляторами и автомобилями. Обычно в подобных устройствах на микроконтроллере помимо вычислительного устройства расположены дополнительные компоненты на кристалле. Вычислительные возможности современных микроконтроллеров сравнимы с показателями аналогичных процессоров десятилетней давности^[4].

Реализация, дизайн и форма процессоров изменились в течение своей истории, но их основные функции остаются практически неизменным. Основные компоненты процессора включают выполняющее логические и арифметические операции арифметико-логическое устройство; аппаратные регистры, которые поставляют операнды в АЛУ и сохраняют результаты операций АЛУ; и блок управления, выбирающий команды из памяти и выполняющий их путем направления скоординированных операций АЛУ, регистрам и другим компонентам^[5].

Большинство современных процессоров являются микропроцессорами, то есть они содержатся на одной интегральной схеме. Интегральная схема содержит процессор и также может содержать периферийные интерфейсы, память и другие компоненты компьютера. Такие интегрированные устройства также называют микроконтроллерами или системами на чипе. Некоторые компьютеры используют многоядерный процессор, являющийся однокристальным и содержащий два или более процессора, называемых ядрами^[6] [5, 11, 12].

Внешний вид центрального процессора представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид центрального процессора

1.2. История центрального процессора

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных схем и компонентов^[7].

Первым этапом было создание процессоров с использованием ферритовых сердечников, электромеханических реле и вакуумных ламп в период, начавшийся в 1940-х годах и продолжившийся чуть более 10 лет. Они устанавливались в специальные разъемы на собранных в стойки модулях, большое количество которых в сумме представляли процессор, который отличался большим тепловыделением, низкой надежностью и быстродействием^[8].

Вторым этапом стало внедрение транзисторов с середины 1950-х до середины 1960-х годов. В это время транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платы, устанавливаемые в стойки. Возросли надежность и быстродействие, уменьшилось энергопотребление.

Третий этап стал использованием микросхем в середине 1960-х годов. Изначально использовались микросхемы с низкой степенью интеграции, которые содержали простые резисторные и транзисторные сборки, затем стали использоваться реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники микросхемы. Позднее появились микросхемы, которые содержали функциональные блоки процессора — арифметическо-логическое устройство, регистры, микропрограммное устройство, устройства работы с шинами команд и данных^[9].

Четвертый этап стал созданием микропроцессора в начале 1970-х годов. Микропроцессор представлял собой микросхему, на кристалле которой были расположены физически все основные элементы и блоки процессора. Первый в мире 4-разрядный микропроцессор был создан фирмой Intel в 1971 году, постепенно практически все процессоры стали выпускаться в таком формате. Микропроцессор компании Intel содержал 2300 транзисторов, стоил 300 долларов и работал на тактовой частоте 92,6 килогерц.

Переход к микропроцессорам позволил в будущем создавать персональные компьютеры, проникнувшие почти в каждый дом^[10] [3, 11, 12].

1.3. Устройство процессора

На данный момент существует множество различных статей о принципе работы и устройстве центрального процессорного устройства, в которых авторы оперируют такими терминами как регистры, такты или прерывания. В данной работе рассмотрим элементарное устройство процессора^[11].

На рисунке 2 представлено внутреннее устройство центрального процессора.

На рисунке 2 цифрой 1 обозначается металлическая поверхность процессорного устройства, которая служит для защиты внутренностей устройства от механических повреждений и отвода тепла.

Под номером 2 располагается непосредственно кристалл, который является самой дорогой в изготовлении и важной частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления. Сложность и совершенность кристалла определяет мощность процессора и его стоимость. Кристалл изготавливается из кремния^[12].

Рис. 2. Внутреннее устройство центрального процессора

Цифрой 3 обозначена специальная текстолитовая подложка, также играющая роль контактной площадки, к которой крепятся все остальные части процессора. На обратной стороне подложки есть большое количество золотистых «точек», которые являются контактами. Благодаря контактной площадке обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом, так как невозможно напрямую воздействовать на кристалл^[13].

Крышка под цифрой 1 крепится к подложке под цифрой 3 с помощью специального клея-герметика, который устойчив к высоким температурам. Между кристаллом под цифрой 2 и крышкой под цифрой 1 нет воздушного зазора, потому что его место занимает термопаста. В процессе застывания из термопасты получается мост между крышкой кристаллом и процессора, благодаря которому обеспечивается очень хороший отток тепла^[14].

На рисунке 3 представлен разобранный вариант центрального процессора.

Рис. 3. Разобранный вариант центрального процессора

Кристалл соединяется с подложкой с помощью герметика и пайки, контакты подложки кристалла с контактами соединяются. На рисунке 4 при 170-кратном увеличении наглядно показано соединение контактов подложки с контактами кристалла при помощи очень тонких проводков^[15].