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

Введение

Сейчас, принято говорить, что центральный процессор является мозгом компьютера. Фактически, центральный процессор - это крошечный чип, связанный непосредственно с материнской платой, с большим вентилятором (кулером), подключенным непосредственно к нему. Без вентилятора центральный процессор очень быстро бы сгорел. [1]

Первый микропроцессор Intel4004 был создан в 1971 году командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тедом Хопфом. Сегодня его имя стоит в ряду с именами величайших изобретателей всех времен и народов.

Изначально процессор 4004 предназначался для микрокалькуляторов и был изготовлен по заказу одной японской фирмы. К счастью, фирма эта обанкротилась, и в результате разработка перешла в собственность Intel. C этого момента и началась эпоха персональных компьютеров. Сегодняшние процессоры от Intel быстрее своего прародителя в более чем в десять тысяч раз! А любой домашний компьютер обладает мощностью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управлявший полётом космического корабля «Аполлон» к Луне. На первый взгляд, процессор – просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния (не зря его ещё называют «камень»). Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определённые математические операции с числами, в которые преображается любая поступающая в компьютер информация. Таких транзисторов в любом микропроцессоре многие миллионы. Сегодняшний процессор – это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. [1]

Целью данной курсовой работы является изучение устройства, назначения, основных характеристик и классификаций центрального процессора.

Для реализации поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить устройство центрального процессора персонального компьютера;
2. Исследовать назначение центрального процессора;
3. Исследование технических характеристик центрального процессора;
4. Провести сравнительный анализ двух основных брендов процессоров персонального компьютера.

Объект данной курсовой работы – это процессор персонального компьютера, а предмет – его назначение, функции и классификации.

Глава 1. Понятие “процессор”

1.1 Что такое процессор

Центральный процессор (ЦП), или CPU, или процессор ПК – это специальный чип, который выполняет все основные вычислительные операции и осуществляет обработку информации. Процессор ПК исполняет программный код – последовательность команд (инструкций), каждая из которых закодирована и размещена в памяти. [2]

В общем случае каждая команда содержит операционную и операндную части. Первая содержит сведения о действиях, которые процессор должен выполнить, а вторая указывает процессору операнды – то, над чем должен «трудится» процессор. Операндная часть описывает до двух операндов инструкции. Это могут быть значения операндов, явные или неявные ссылки на регистры процессора, хранящие операнды, адрес ячейки памяти, регистры процессора и т. д. длина инструкции выражается в байтах.

Логический адрес исполняемой команды (инструкции) хранится в регистре Instruction Pointer (указатель инструкции) – счетчике команд. После исполнения значение счетчика увеличивается на длину инструкции, указывая на начало следующей инструкции.

Существует два типа инструкций:

- линейные. Выполняются в соответствии с их размещением в памяти по нарастанию адреса;

- передачи управления. К ним относятся инструкции переходов и вызовов процедур, которые содержат адрес следующей исполняемой инструкции.

Несмотря на то, что последовательность исполнения инструкций четко предписывается командным кодом, она может быть нарушена исключениями и прерываниями. Исключения – это особые ситуации, возникающие при выполнении инструкций (управляются ОС). Аппаратные прерывания представляют собой вызовы процедур по электрическим сигналам в специальных контактах процессора. Источниками аппаратных прерываний являются, например, контроллеры устройств, системы управления питанием. Кроме того, последовательность инструкций может изменяться по сигналу перезапуска процессора.

В приложении 1 я добавил таблицу наиболее востребованных процессоров на 2018 год.

1.2 Устройством процессора

Современные процессоры имеют форму небольшого прямоугольника, который представлен в виде пластины из кремния. Сама пластина защищена специальным корпусом из пластмассы или керамики. Под защитой находятся все основные схемы, благодаря им и осуществляется полноценная работа ЦП. [3]

В состав ЦП входит небольшое количество различных элементов. Каждый из них выполняет свое действие, происходит передача данных и управления. Обычные пользователи привыкли отличать процессоры по их тактовой частоте, количеству кэш-памяти и ядрам. Но это далеко не все, что обеспечивает надежную и быструю работу. Стоит уделить отдельное внимание каждому компоненту. [3]

Внутренняя конструкция ЦП часто отличается друг от друга, каждому семейству присущ свой набор свойств и функций – это называется его архитектурой. Но многие под архитектурой процессора привыкли подразумевать немного другое значение. Если рассматривать ее с точки зрения программирования, то она определяется по его возможности выполнять определенный набор кодов. Если вы покупаете современный CPU, то скорее всего он относится к архитектуре x86. [3]

Основная часть CPU называется ядром, в нем содержатся все необходимые блоки, а также происходит выполнение логических и арифметических задач. Если вы посмотрите на рис.1, то сможете разобрать как выглядит каждый функциональный блок ядра:

Рис.1. Схема ядер процессора.

• Модуль выборки инструкций. Здесь осуществляется распознавание инструкций по адресу, который обозначается в счетчике команд. Число одновременного считывания команд напрямую зависит от количества установленных блоков расшифровки, что помогает нагрузить каждый такт работы наибольшим количеством инструкций.
• Предсказатель переходов отвечает за оптимальную работу блока выборки инструкций. Он определяет последовательность исполняемых команд, нагружая конвейер ядра.
• Модуль декодирования. Данная часть ядра отвечает за определения некоторых процессов для выполнения задач. Сама задача декодирования очень сложная из-за непостоянного размера инструкции. В самых новых процессорах таких блоков встречается несколько в одном ядре.
• Модули выборки данных. Они берут информацию из оперативной или кэш-памяти. Осуществляют они именно выборку данных, которая необходима на этот момент для исполнения инструкции.
• Управляющий блок. Само название говорит уже о важности данного компонента. В ядре он является главнейшим элементом, поскольку производит распределение энергии между всеми блоками, помогая выполнять каждое действие вовремя.
• Модуль сохранения результатов. Предназначен для записи после окончания обработки инструкции в RAM. Адрес сохранения указывается в исполняющейся задаче.
• Элемент работы с прерываниями. ЦП способен выполнять сразу несколько задач благодаря функции прерывания, это позволяет ему останавливать ход работы одной программы, переключаясь на другую инструкцию.
• Регистры. Здесь хранятся временные результаты инструкций, данный компонент можно назвать небольшой быстрой оперативной памятью. Часто ее объем не превышает несколько сотен байт.
• Счетчик команд. Он хранит в себе адрес команды, которая будет задействована на следующем такте процессора.

По системной шине CPU соединяются устройства входящие в состав ПК. К ней напрямую подключен только он, остальные элементы подсоединяются через разнообразные контроллеры. В самой шине присутствует множество сигнальных линий, через которые происходит передача информации. Каждая линия имеет свой собственный протокол, обеспечивающий связь по контроллерам с остальными подключенными компонентами компьютера. Шина имеет свою частоту, соответственно, чем она выше, тем быстрее совершается обмен информацией между связующими элементами системы.

Быстродействие ЦП зависит от его возможности максимально быстро выбирать команды и данные из памяти. За счет кэш-памяти сокращается время выполнения операций благодаря тому, что она играет роль временного буфера, обеспечивающего мгновенную передачу данных CPU к ОЗУ или наоборот.

Основной характеристикой кэш-памяти является ее различие по уровням. Если он высокий, значит память более медленная и объемная. Самой скоростной и маленькой считается память первого уровня. Принцип функционирования данного элемента очень прост – CPU считывает из ОЗУ данные и заносит их в кэш любого уровня, удаляя при этом ту информацию, к которой обращались давно. Если процессору нужна будет эта информация еще раз, то он получит ее быстрее благодаря временному буферу.

Благодаря тому, что процессор имеет собственный разъем (гнездовой или щелевой), вы можете легко заменить его при поломке или модернизировать компьютер. Без наличия сокета ЦП просто бы впаивался в материнскую плату, усложняя последующий ремонт или замену. Стоит обратить внимание – каждый разъем предназначен исключительно для установки определенных процессоров.

Благодаря внедрению в процессор видеоядра он выполняет роль видеокарты. Конечно, по мощности он с ней не сравнится, но если вы покупаете CPU для несложных задач, то вполне можно обойтись и без графической карточки. Лучше всего встроенное видеоядро показывает себя в недорогих ноутбуках и дешевых настольных компьютерах. [3]

1.3 Характеристики

Основные характеристики процессора:

-рабочее напряжение:

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата. По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров имели рабочее напряжение 5В, а в настоящее время оно составляет менее 3В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева. [4]

-разрядность процессора:

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры были 4-разрядными. Современные процессоры семейства Intel Pentium являются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины). [4]

-Рабочая тактовая частота:

Такты- это отдельные элементарные операции, из к-х состоит любая машинная команда или операция процессора. Тактовая частота- определяется кол-вом тактовых импульсов в единицу времени. В комп-ре тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящих в чипсет.

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем.

Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше производительность процессора. Первые процессоры могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты, некоторых процессоров уже превосходят 500 МГц. [4]

-коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты:

Это коэффициент, на который следует умножить тактовую частоту материнской платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая из чисто физических причин не может работать на таких высоких частотах, как процессор. На сегодня тактовая частота материнских плат составляет 100-133 Мгц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение на коэффициент 4, 4.5, 5 и больше. [4]

-размер кэш-памяти:

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.