Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификации процессора.pdf

Введение

На сегодняшний день информационные технологии и персональные компьютеры прочно вышли в повседневную жизнь практически каждого человека. Нам необходимо ежедневно обрабатывать огромное количество информации и компьютер может помочь облегчить эту задачу, взяв часть обработки информации на себя. Основным элементом компьютера, сервера или мобильного телефона, осуществляющим вычислительные операции, является специальная электронная микросхема - процессор. Без него невозможна работа любой электронно-вычислительной машины.

Актуальность данной курсовой работы обусловлена, как уже было сказано выше, важностью персональных компьютеров, мобильных телефонов, в жизни современного человека. Понимать устройство процессоров, принципы их работы и основные характеристики очень важно, так как при разработке программ необходимо учитывать алгоритмы обработки данных и операций процессором.

Таким образом, целью данной курсовой работы является изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик центрального процессора, а также определение классификаций современных процессоров.

Для достижения данной цели определим следующие исследовательские задачи, которые заключаются:

- в анализе основных характеристик процессора;

- в рассмотрении архитектуры ЦП;

- в рассмотрении современных процессоров и определении их классификации.

Глава 1. Понятие и основные характеристики процессоров

Процессор часто называют "мозгом" компьютера, и это действительно так, ведь его задача - выполнять программы, находящиеся в основной памяти, т.е. выполнять арифметические и логические операции над данными, координировать работу всех устройств компьютера.

Рассмотрим основные характеристики процессора, к которым относятся:

1. Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.

2. Тактовая частота в МГц. Тактовая равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего. Характерные тактовые частоты микропроцессоров: 40 МГц, 66 МГц, 100 МГц, 130 МГц, 166 МГц, 200 МГц, 333 МГц, 400 МГц, 600 МГц, 800 МГц, 1000 МГц и т. д. До 3ГГц Тактовая частота отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный процессор. Она также характеризирует и компьютер, поэтому по названию модели микропроцессора можно составить достаточно полное представление о том, к какому классу принадлежит компьютер. Поэтому часто компьютерам дают имена микропроцессоров, входящих в их состав. Ниже приведены названия наиболее массовых процессоров, выпущенных фирмой Intel и годы их создания: 8080 (1974 г.), 80286 (1982 г.), 80386DX (1985 г.), 80486DX (1989 г.), 80586 или Pentium (1993 г.), Pentium Pro (1995 г.), Pentium II (1997 г.), Pentium III (1999 г.), Pentium IV (2001 г.). Как видно, увеличение частоты – одна из основных тенденций развития микропроцессоров. Более наглядно это тенденцию можно увидеть на представленном ниже графике, который отражает увеличение тактовой частоты (clock frequency)^[1]:

Как можно увидеть из представленного графика, тактовая частота процессоров росла достаточно резко до 2005 года, однако впоследствии кривая роста становится более плавной. Это связано с тем, что производители процессоров действительно стремились увеличивать тактовую частоту, однако в некий момент времени столкнулись с проблемой сильного нагрева центрального процессора, который может вызвать сбой в работе всего компьютера. Именно поэтому в настоящий момент при разработке новых процессоров основной упор идет на увеличение их производительности не за счет увеличения тактовой частоты, а за счет других методов, например, многоядерности процессора, которую мы рассмотрим ниже.

3. Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8); если 4 байта, то 32; если 8 байтов, то 64^[2].

Основная польза от перехода к 64 разрядным процессорам - это возможность использования оперативной памяти больше 4 Гб. Каждая ячейка оперативной памяти имеет адрес и в 32-х битной операционной системе он записывается как двоичный код длиной в 32 символа. Получаем — 2^32=4294967296 байт = 4 ГБ. Иначе говоря, в 32-битной операционной системе, ячейки памяти расположенные за границей в 4Gb не получат адреса и не будут использованы. В 64-х битных операционных системах размер адресной памяти равен 2^64= 18446744073709551616^[3], т.е. 16 эксабайт (16 млн терабайт).

4. Количество ядер. Это одна из важнейших характеристик процессора на сегодняшний день. Наличие нескольких ядер в процессоре позволяет разбивать выполнение задач на несколько потоков, что позволит увеличить производительность многоядерного процессора, по сравнению с одноядерными. Однако, стоит учитывать то, что такое увеличение производительности возможно, если выполняемая программа предполагает ее исполнение в режиме многопоточности.

Многоядерная архитектура предполагает размещение двух или более основных вычислительных агрегатов в пределах единственного процессора. Этот многоядерный процессор имеет единственный интерфейс с системной платой, но операционные системы «видят» каждое из его ядер как дискретный логический процессор со всеми связанными ресурсами. Это отличает их от технологии Hyper-Threading (где отдельные процессы выполняются единственным ядром) и существующие ресурсы используются более эффективно.

Разделяя вычислительную нагрузку, выполняемую единственным ядром в традиционных процессорах между многими ядрами, многоядерный процессор может выполнить большую работу в пределах отдельного цикла ЭВМ. Чтобы реализовать это увеличение эффективности, соответствующее программное обеспечение должно поддерживать это распараллеливание. Эти функциональные возможности называют «параллелизмом уровня подпроцесса (нити)» или «threading». Приложения и операционные системы, которые поддерживают это, упоминаются как мульти-подпроцессные или «multi-threaded»^[4].

5. Кэш памяти. Эта характеристика процессоров, являющаяся очень значимой, определяет объем сверхбыстрой оперативной памяти, содержащей информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше осуществляется быстрее, чем выборка исходных данных из более медленной памяти или удалённого источника, однако её объём существенно ограничен по сравнению с хранилищем исходных данных^[5].

По сути кэш память представляет собой буфер между контроллером системной памяти и процессором. В ней могут храниться блоки, с которыми центральный процессор работает в данный момент, что поможет снизить число его обращений к медленной системной памяти.

Глава 2. Архитектура процессора и его функции

Для выполнения программ, находящихся в основной памяти, процессор вызывает команды из памяти, затем определяет их тип и выполняет одну за одной. Для того, чтобы обмениваться информацией с любыми внутренними устройствами микропроцессорной системы процессор использует шины, представляющие собой набор параллельно связанных проводников для передачи адресов, данных и управляющих сигналов. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними (обеспечивают обмен данными между компонентами процессора). Схема компьютера с одним центральным процессором и двумя устройствами ввода-вывода представлена ниже.

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом в 1945 году.

Архитектура фон Неймана, также известная как Принстонская архитектура - это широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера^[6]. Основной документ, который был подготовлен фон Нейманом - "Первый проект отчёта о EDVAC" (незаконченный) - описывает архитектуру электронного вычислительного устройства со следующими компонентами:

- процессор, содержащий арифметико-логическое устройство и регистры процессора;

- управляющее устройство, включающее в себя регистр инструкций и счетчик программ;

- память, хранящая данные и инструкции;

- внешнее хранилище данных;

- устройства ввода-вывода.

Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции (например, сложение, логическое И).

Внутри центрального процессора находится быстрая память небольшого объема для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Вообще регистр процессора представляет собой сверхбыструю оперативную память внутри процессора, которая необходима главным образом для хранения результатов вычислений. В процессоре имеется значительное количество регистров, большая часть которых используется самим процессором и недоступна программисту (например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, и программист обратиться к этому регистру не может). Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы (например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов). Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем^[7].

По отношению к назначению внутренних регистров существует два основных подхода. Первого придерживается, например, компания Intel, которая каждому регистру отводит строго определенную функцию. С одной стороны, это упрощает организацию процессора и уменьшает время выполнения команды, но с другой — снижает гибкость, а иногда и замедляет работу программы. Например, некоторые арифметические операции и обмен с устройствами ввода/вывода проводятся только через один регистр — аккумулятор, в результате чего при выполнении некоторых процедур может потребоваться несколько дополнительных пересылок между регистрами. Второй подход состоит в том, чтобы все (или почти все) регистры сделать равноправными, как , например, в 16-разрядных процессорах Т-11 фирмы DEC. При этом достигается высокая гибкость, но необходимо усложнение структуры процессора. Существуют и промежуточные решения, в частности, в процессоре MC68000 фирмы Motorola половина регистров использовалась для данных, и они были взаимозаменяемы, а другая половина — для адресов, и они также взаимозаменяемы.

В первую группу входят регистры общего назначения. В процессорах 386 и выше имеются восемь 32-битовых регистров общего назначения EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, и ESP. Процессоры 386 и выше могут обращаться к 16-битовым половинам 32-битовых регистров. При необходимости возможна работа с половинами регистров, поскольку они разделены на старшую и младшую половину, называемые AH и AL, BH и BL и т.д. Такое разделение регистров имеется во всех процессорах. Значительная часть внутренних операций компьютеров производится с использованием регистров общего назначения.

Следующая группа из шести регистров помогает процессору обращаться к памяти. Они называются сегментными регистрами и каждый из них помогает обращаться к области (или сегменту) памяти. В прежних процессорах размер сегментов составлял 64 Кбайт, а в новых процессорах длина сегмента переменная и варьируется от одного байта до 4 Гбайт.

Регистр CS сегмента кода (программы) показывает, в каком месте памяти находится программа. Регистр DS сегмента данных локализует используемые программой данные. Регистр ES дополнительного сегмента дополняет сегмент данных. Регистр SS сегмента стека определяет стек компьютера. В процессорах 386 и выше имеются еще два сегментных регистра: FS и GS, предназначенных для адресации памяти.

Если сегментные регистры обеспечивают доступ к большим блокам памяти, то последняя группа используется совместно с сегментным регистром для локализации в памяти конкретных байтов. Регистр указателя команды IP определяет ту точку, где выполняется программа. Регистры указателя стека SP и указателя базы BP помогают следить за информацией в стеке (стек — это область памяти, где хранится информация о текущих действиях компьютера). Регистры индекса источника SI и индекса получателя DI помогают программам пересылать большие блоки данных из одного места в другое.

Регистр признаков (регистр состояния) занимает особое место, хотя он также является внутренним регистром процессора. Содержащаяся в нем информация — это не данные, не адрес, а слово состояния процессора (ССП, PSW — Processor Status Word).

Каждый бит этого слова (флаг) содержит информацию о результате предыдущей команды. Например, есть бит нулевого результата, который устанавливается в том случае, когда результат выполнения предыдущей команды — нуль, и очищается в том случае, когда результат выполнения команды отличен от нуля. Эти биты (флаги) используются командами условных переходов, например, командой перехода в случае нулевого результата. В этом же регистре иногда содержатся флаги управления, определяющие режим выполнения некоторых команд^[8].