Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Исторический аспект развития микропроцессоров ПК 4).pdf

Введение

Важнейший компонент любого персонального компьютера - это микропроцессор, который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации.

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 не только обеспечивает работу современного оборудования, но и с помощью нее производят вычислительные операции.

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. Уменьшение стоимости, потребляемой мощности и габаритных размеров, повышение надежности и производительности способствовали значительному расширению сферы их использования. Все это подтверждает актуальность выбранной темы.

Цель курсовой работы - рассмотрение классификации, структуры и основных характеристик микропроцессоров ПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• рассмотреть определение микропроцессора и историю развития;
• дать общую схему классификации микропроцессоров;
• изучить основные характеристики микропроцессоров ПК и их структуру.

Для выполнения данной курсовой работы использовался ПК с операционной системой Microsoft Windows 10 Professional, процессор Intel(R) Pentium(R) CPU G4620@3.70 GHz 3.70 ГГц, 4ГБ ОЗУ.

Глава 1. Исторический аспект развития микропроцессоров ПК

• 1. Определение микропроцессора

Самым главным элементом в компьютере является микропроцессор - небольшая электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации.

Микропроцессор выполняет арифметические и логические операции над данными в соответствии с заданной ему программой. Он состоит из двух основных частей (рисунок 1).

---

Составные части

арифметико-логическое устройство

устройства управления

Рисунок 1. Составные части микропроцессора ПК

Каждая из частей отвечает за свои действия, так в арифметико-логическом устройстве выполняется обработка данных, а устройство управления формирует необходимые для обработки информации управляющие сигналы[2]. В процессе развития электроники эти два устройства соединились в корпусе одной интегральной схемы. В результате чего получился микропроцессор.

Под микропроцессором подразумевается полупроводниковый кристалл или комплект кристаллов, на которых реализуется совокупность арифметико-логического устройства и центрального устройства управления[1].

Большая интегральная схема  - это интегральная схема с высокой степенью интеграции, используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

• чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
• чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;
• прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
• обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;
• выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

Единицей информации в двоичном коде является бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1.

Первый микропроцессор был выпущен в продажу в 1970 году. Его сконструировал Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel. Возможности первого микропроцессора Intel 4004 были небольшими. Он мог обрабатывать только 4 бита информации (для сравнения процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита информации). Применялся Intel 4004 в микрокалькуляторах.

В 1973 г. Фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel 8008, а в 1974 г. - его усовершенствованную версию Intel 8080, которая до конца 70 годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии (отечественный аналог КР580ИК80) [3].

Современные микропроцессоры выполняют сотни различных операций и делают это со скоростью в несколько десятков и даже сотен миллионов операций в секунду.

В компьютерах IBM РС используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM  и др.). Микропроцессоры фирмы Intel , применяемые в IBM PC совместимых компьютерах, таковы: Intel – 8080, 80286,  80386( модификации SX и DX ), 80486 (модификации SX, SX2, DX, DX2, DX4 ), Pentium и Pentium Pro, Pentium (2 – 4) они приведены в порядке возрастания производительности и цены. Разница в производительности этих микропроцессоров очень велика. Так, новейший микропроцессор Pentium 4 быстрее микропроцессора Intel-8088 (на котором были основаны исходный вариант компьютера  IBM PC и модель IBM PC XT) в сотни тысяч раз[10].

---

Большинство выпускаемых сейчас компьютеров основано на микропроцессорах Pentium 3-4 и его аналогах (например, AMD Athlon XP). Лишь самые дешевые модели компьютеров основаны на микропроцессоре Celeron (упрощенный вариант Pentium 3-4) или AMD Duron.

• 1. Хронология развития микропроцессоров

Корпорации Intel была основана в 1968 г. Первый процессор, разработанный специалистами этой корпорации, был i4040 в 1969 г. Он представлял собой 4-разрядное устройство с 2300 транзисторами (для примера: Pentium 4 имеет около 42 млн. транзисторов). Этот процессор применялся в карманных калькуляторах[5]. В 1972 г. был выпущен 8-разрядный процессор i8008 с адресацией внешней памяти 16 Кбайт. Революцией можно считать 1974 г. – выпуск i8080(рисунок 2). С этого момента начинается отсчет современных процессоров.

Рисунок 2. 8-разрядный процессор i8008 с адресацией внешней памяти 16 Кбайт

Этот процессор мог адресовать 64 Кбайта и работал на тактовой частоте 2 МГц. Он разошелся миллионными тиражами и заложил основу во всю дальнейшую архитектуру процессоров.

1. Первое поколение процессоров. Очередной революционный процессор Intel – i8086 – появился в 1978 г. Его основные характеристики – 16-разрядные регистры, 16-разрядная шина данных, сегментная адресация памяти 20 бит – это уже 1 Мбайт. Тактовая частота 4,77–10 МГц. Более дешевый вариант i8086 – это процессор i8088 – имеет 8 разрядную шину данных. Процессоры i8086/88 могли работать с внешним математическим сопроцессором i8087 (устанавливался в специальный разъем на плате). i8086 унаследовал большую часть множества команд 8080 и Z80. Все современные процессоры поддерживают набор команд процессора i8086, совместимость «снизу-вверх» - любую программу, написанную для i8086, можно запустить на Pentium 4 или Athlon XP[8].
2. Второе поколение процессоров. В 1982 г. Intel представляет 80286 с расширенной шиной 24 бита (16 Мбайт памяти) и защищенным режимом работы (рисунок 3).

Рисунок 3. Микропроцессор 80286

До этого в процессорах отсутствовала поддержка на процессорном уровне защиты программ от взаимного влияния, такое нововведение стимулировало производителей программного обеспечения на выпуск многозадачных операционных систем (Windows, OS/2)[7].

1. Третье поколение процессоров. Развитие многозадачности началось после выхода микропроцессора i80386 в 1985 г. (рисунок 4).

---

Рисунок 4. Микропроцессор i80386

Главные отличительные особенности этого процессора:

• 32-разрядные шины адреса и данных (адресация 4 Гбайт);
• добавление 32-разрядных регистров;
• виртуальный 8086 процессор;
• страничная адресация памяти;
• ведена концепция параллельного функционирования внутренних устройств процессора: шинный интерфейс, блок предварительной выборки, блок декодирования команд, исполнительный блок, блок сегментации, блок страничной адресации[8].

1. Четвертое поколение процессоров. Концепция параллельного функционирования внутренних устройств нашла Шестое свое конвейеризации дальнейшее дальнейшее развитие в выборки процессоре i80486 (1989 г., Реализована модели энергосбережения SX, модели SX2, предсказания DX, внутреннему DX2, Кбайт DX4) в Внутренние виде был конвейеризации встроенного вычислений (5 Реализована ступеней)(рисунок 5).

МГц Рисунок 5. Шестое Микропроцессор i80486

У своей данного внутренних поколения Intel выделяются введена следующие сегментации отличия:

• кристалле наличие для встроенного Реализована математического переходов сопроцессора (модели процессоре DX, вида DX2, Четвертое DX4);
• адресации поддержка сопроцессора многопроцессорного нашла режима свое работы;
• ошибкой два выборки вида блока кэш-памяти – дальнейшее внутренней 8 Линейку Кбайт (L1) и знаменитый внешней (L2). свое Начиная с предварительной процессора i80486, конвейерами все архитектура последующие развитие модели встроенного процессоров развитие Intel данных поддерживают знаменитый различные наличие концепции концепция энергосбережения.

1. внешняя Пятое начале поколение Внутренние процессоров. Первый Первый начале Pentium 60 (66), параллельного знаменитый Шестое своей концепции ошибкой математического блока с модели плавающей Первый точкой, декодирования был блок представлен в начале начале 1993 г. К конвейеризации внутреннему виде кэшу точкой команд внутренних добавили 8 виде Кбайт процессоров для для данных. на Разработана концепция суперскалярная Реализована архитектура (с работы двумя развитие конвейерами u и v) – наличие выполнение архитектура двух данного команд за один такт. Реализована технология предсказания переходов (branch prediction). Внутренние шины стали 128 и 256 бит, внешняя шина данных 64 бит[9].
2. Шестое поколение процессоров. Линейку процессоров Pentium 75-200 МГц характеризуют следующим образом:

---

• кэш L1 16 Кбайт на кристалле процессора;
• в кэш L2 256/512 Кбайт внешний на материнской плате;
• технология изготовления 0,35 микрон (для процессоров 120 МГц и ниже 0,6 микрон);
• содержит около 3,3 миллиона транзисторов[11].

В это время помимо Intel, можно отметить еще двух производителей процессоров это Cyrix и AMD, которые совместно с IBM разрабатывают стандарт «Р-рейтинг» для обозначения производительности процессора.

«Р-рейтинг» разрабатывают любого большую процессора архитектура равен процессоре величине для тактовой станциях частоты блок процессора совместно Intel процессоров Pentium, производились показавший блока такой производились же содержит или содержит более уровня высокий станциях результат в был абсолютно шина идентичной конфигурации конфигурации (замеры процессор производились второго на этого тесте кристалле Winstone 96).

для AMD блока выпускает Особенности процессор К5-PR133 (работающий рабочих на внешний частоте 116,7 примерно МГц). рабочих Этот около процессор данного имеет встроенный встроенный по кэш 24 первого Кбайт, модели технология введен изготовления 0,35 официальные микрон, процессорах около 4,3 архитектура миллионов которые транзисторов. материнской Процессоры поколение CYRIX (и производительности идентичные др им с плате лейблом идентичной IBM) показывают имеют до официальные плате названия 6х86 Р120+, 6х86 Р133+, 6х86 Р150+, 6х86 Р166+, 6х86 Р200+[12].

для Дело в самым том, соответствующем что на при AMD выполнении 32-разрядных том тестов внутренняя процессоры К5 и 6х86 Дело показывают начала примерно Pro на 11% кэш большую модели производительность Pro на для соответствующем величине процессоре Кбайт Pentium. по Особенности 6х86: отметить кэш 16 результат Кбайт, ММХ дополнительный др кэш Winstone для Он команд 256 б; конце технология IBM изготовления 0,5 Выпускался микрон (0,65 ниже для Р120+); процессоры количество процессора транзисторов введен около 3 для млн.

1. Pentium Седьмое конфигурации поколение что процессоров. В количество конце 1995 г. имеет Intel высокий выпускает частоте Pentium первого Pro, производительности который МГц до тесте начала 1997 г. находит остается абсолютно самым начинается мощным и более дорогим выпускает процессором. С процессор этого архивирования процессора изображений начинается миллиона архитектура Р6. IBM Выпускался с IBM тактовыми второго частотами 150-200 процессоров МГц, станциях имеет введен встроенный по кэш находит первого им уровня 16 встроенный Кбайт, процессора второго 256/512 производительности Кб (на шина кристалле Этот процессора), начинается технология том изготовления 0,35 Intel микрон, млн внутренняя Начиная шина 300 бит, около 5,5 млн. транзисторов. Он находит свое применение в серверах и рабочих станциях[14].

---