Файл: Процессор центральный процессор.ppt

Центральный процессор (CPU) — центральный процессор является основным компонентом, «мозгом» компьютера и определяет его самые основные характеристики.
Это большая интегральная схема (БИС), сформированная на кристалле кремния.
Большая интегральная схема не по размеру, а по количеству элементов – транзисторов, включенных в нее. Процессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди.
Процессор – центральное устройство компьютера, которое осуществляет обработку информации, выполняя арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.
Функции процессора:
обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
программное управление работой устройств компьютера.

ПРОЦЕССОР

В 1965Г. Гордон Мур сделал смелое предсказание: число транзисторов, размещаемых на кристалле ИС, будет удваиваться приблизительно каждые 2 года. Отрасль развивалась почти в точном соответствии с этим прогнозом, получившим название закона Мура. Но впервые за 43г нарушен закон, благодаря новым методам производства микросхем, когда можно разместить 30млн. транзисторов на участке кристалла с булавочную головку. в 2006г. процессор Core 300млн. транзисторов, начало 2007г. 800 млн транзисторов в двух ядерных системах.

Изготовление процессора

Сложнейший технологический процесс, включающий в себя несколько сотен этапов.
Микропроцессоры формируются на поверхности тонких пластин Кремния, которые нарезают из длинных цилиндрических кристаллов кремния, выращенных из расплава кремниевого песка. Кремний обладает полупроводниковыми свойствами, его проводимостью Можно управлять путем введения примесей.

Кремневый песок

Выращенный кремневый кристалл

Кристалл разрезают на подложки

Изготовление процессора

2. В процессе изготовления микросхем на пластины-заготовки наносятся тончайшие слои различных материалов. На них фотолитографическим способом слой за слоем формируют «рисунок» будущей микросхемы.

Изготовление процессора

3. В ходе следующей операции, называемой легированием, открытые участки кремниевой пластины бомбардируют ионами различных химических элементов, которые формируют в кремнии микроскопические участки, имеющие различную электрическую проводимость. Каждый слой процессора имеет свой собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трехмерную структуру процессора.

Изготовление процессора

4. После этого пластины разрезают на отдельные микросхемы, которые проходят тщательное тестирование, чтобы проверить качество выполнения всех технологических операций. Заготовки, в которых обнаруживаются неисправности, просто выбраковываются, поскольку не существует способов исправления ошибок.

Изготовление процессора

5. Затем каждый кристалл помещают в защитный корпус и припаивают к нему выводы.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОРА

Восемь слоев кристалла процессора в 65-нанометровом технологическом процессе

Логический состав ЦП

Устройство управления (УУ)блок упр-я. Управляет работой всех устройств по зад. Программе
АЛУ(арифметико-логическое устройство) вычислительный инструмент процессора.
Регистры процессорной памяти
регистры процессорной памяти – внутренняя память процессора. Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации процессора.
Каждый их регистров служит своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты. У каждого регистра есть определенное назначение:
IP – счетчик команд (помещается адрес той ячейки памяти ЭВМ, в которой хранится очередная исполняемая команда программы.
CS – регистр команд, помещается сама команда на время ее исполнения
DI SI BP – индексные регистры, указатели сдвигов в сегментах.
AX BX – общего назначения
SS – стека (Стек- область, используемая для временного хранения данных. Стек содержится в отдельном сегменте, который называется сегментом стека)
DS — дополнительный

Принципы работы современных процессоров

Процессор поддерживает определенный набор команд, которые может исполнять, и содержит набор внутренних ячеек памяти - регистров, с которыми может работать гораздо быстрее, чем с внешней памятью.
Возможности ПК, как универсального исполнителя по работе с информацией определяется системой команд процессора.
Система команд процессора представляет собой язык машинных команд. (ЯМК). Из языка ЯМК составляются программы управления работой компьютера.
Отдельная команда представляет отдельную операцию (действие) компьютера.
В ЯМК существуют операции по которым выполняется арифметич. , логич. операции, операции управления последовательностью команд, операции передачи данных из одних устройств памяти в другие и пр.

Различают два типа архитектуры процессоров – CISC и RISC.

CISC архитектура

CISC (Complex Instruction Set Computer) подразумевает, что процессор поддерживает очень большой набор команд (более 200) (полную систему команд) и имеет небольшое число регистров.
Реализующие на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности ( от простых, характерных для микропроцессора 1-го поколения, до значительной сложности, характерных для современных процессоров.
В условиях дефицита ОП первоначальное развитие процессоров для ПК компьютеров пошло в направлении CISC-архитектуры
Все процессоры, совместимые с набором команд х86 являются CISC процессорами, хотя некоторые могут иметь элементы RISC-архитектуры.

RISC архитектура

RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer) означает ограниченный набор команд и большое число внутренних регистров. 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. Высокая степень дробления конвейера.
Споры о том, что лучше, идут до сих пор. RISC-процессор работает быстрее, т. к. команды простые. И стоят дешевле, но программы для них занимают больше места, чем для CISC.

Характеристики ЦП Тактовая частота

Тактовая частота — это основная характеристика процессора, которая определяет его возможности и производительность системы в целом.
Каждый тип процессора выпускается в виде целой линейки (семейства) моделей, отличающихся различными характеристиками и, прежде всего, тактовой частотой. Так, процессор Pentium IV может выпускаться в различных модификациях с тактовой частотой от 2,0 До 3,8 МГц.
Процессор работает в тесном контакте с микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты. ГТЧ вырабатывает периодические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. Это своеобразный метроном внутри ПК. В ритме этого метронома работает ЦП.
Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт – промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Измеряется в МГц.
Тактовая частота

процессора определяется двумя факторами: частотой системной шины и внутренним множителем процессора (внутренней тактовой частотой). Первый параметр фактически не зависит от самого процессора, а определяется системной платой, точнее ее чипсетом. Системные платы могут выпускаться с разными частотами — от 256 до 800 МГц .

ЧАСТОТА ПРОЦЕССОРА

Северный мост обеспечивает обмен данными с процессором, оперативной памятью и видеопамятью.
Частота процессора в несколько раз больше, чем базовая частота магистрали (шина FSB – от англ. FrontSide Bus).
Если частота шины FSB равна 266 МГц, коэффициент умножения частоты 14, то частота процессора будет равна: 266 МГц × 14 ≈ 3,7 ГГц

Характеристики ЦП Техшаг

Техшаг
Процессор состоит из многих миллионов транзисторов. Их можно условно представить себе в виде точек в узлах прямоугольной сетки.
Расстояние между транзисторами процессора определяется используемой технологией производства и в настоящее время составляет 0,065-0,09 мк или
65-90 нм. Чем меньше это расстояние, тем лучше.
Уменьшение размеров транзистора влечет за собой уменьшение шага, а значит, уменьшается мощность тепловыделения и себестоимость изготовления, увеличивается максимально достижимая частота процессора.

ПРОЦЕССОРЫ

Самый первый процессор
Intel 4004 (1971 год)

Размер элемента:
10 мк = 10-5 м
Количество элементов:
2300

Размер элемента:
65 нм = 0,065 мк = 10-8 м
Количество элементов:
291 000 000

Современный процессор
Intel Core 2 Duo (2007 год)

Ядро процессора Intel Core 2 Duo

Характеристики ЦП Разрядность процессора

Разрядность процессора называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно.
Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например разрядность регистра 2 байта – 16 бит, то разрядность ЦП – 16., 8 байт -64
Ячейка – группа последовательных байтов ОЗУ, вмещающая в себя информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора. Содержимое ячейки памяти называется машинным словом.
Размер ячейки памяти и машинного слова равен разрядности процессора.
Обмен информацией между ЦП и внутренней памятью производится машинными словами.
Адрес ячейки памяти – равен адресу мл. байта ( байта с наименьшим номером), входящего в ячейку. Адресация как байтов, так и ячеек начинается с 0. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове.

Итак, Ячейка – вместилище информации, машинное слово – информация в ячейке.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССОРА

Производительность процессора характеризует скорость выполнения приложений.

Разрядность процессора определяется количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.
С момента появления первого процессора 4004 разрядность процессора увеличилась в 16 раз ( с 4 бит до 64 битов).
Частота соответствует количеству тактов обработки данных, которые процессор производит за 1 секунду.
С момента появления первого процессора частота процессора увеличилась в 37 000 раз ( с 0,1 МГц до 3700 МГц).

Производительность Разрядность × Частота × Кол-во команд за такт

Характеристики ЦП Адресное пространство

По адресной шине процессор передает адресный код – двоичное число, обозначающее адрес ячейки памяти или внешнего устройства, куда направляется информация по шине данных.
Адресное пространство – это диапазон адресов ( множество адресов) к которым может обратиться процессор, используя адресный код.
Если адресный код содержит n – бит, то размер адресного пространства 2n байт
Обычно размер адресного кода = количеству линий в адресной шине (разрядности адресной шины)
32 разрядная адр.шина 232 = 4 ГБ

Характеристики процессоров

Тактовая частота (число тактов в секунду) такт – время выполнения простейшей операции ГГц = гигагерц, 1 герц = 1 такт в секунду тактовая частота 2 ГГц  1 такт = 510-10 с
Разрядность число бит, которые процессор обрабатывает за 1 операцию (8, 16, 32, 64, …)
Частота системной шины частота обмена данными с памятью и внешними устройствами (до 1000 МГц)
Объем кэш-памяти до 2 Мб на одно ядро

Intel Pentium 4 3.0G 800MHz/1M

тактовая частота 3 ГГц

частота шины 800 МГц

кэш-память
1 Мб

Характеристики ЦП Архитектура

Архитектура ЦП – конструкция процессора и имеющаяся система команд (инструкций)
К архитектуре относятся следующие элементы:
1) Система команд и способы адресации
2) Возможности совмещения выполнения команд во времени
3) Наличие дополнительных узлов и устройств в составе МП
4) Режимы работы процессора