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

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время компьютеры широко применяются в сфере образования и здравоохранения, научных организациях и банках, практически на любой работе и дома. Эти вычислительные средства также являются составной частью информационно-измерительных, медико-диагностических, управляющих, радиоэлектронных, телекоммуникационных и других технических систем.

Понятие «архитектура компьютера» сложилось в процессе эволюции электронных вычислительных машин (ЭВМ), когда их логическая организация достигла определенной сложности и возникла необходимость выделить предметную область знаний для описания наиболее общих первостепенных вопросов их построения.

Под архитектурой компьютера понимается уровень его организации, при котором описываются структура компьютера как совокупность устройств (подсистем), связи и взаимодействие между ними, а также его функции, к которым, в первую очередь, относятся: система машинных операций (команд) и основы их выполнения, форматы команд и данных, режимы их адресации. Для унификации описания многочисленных структурных особенностей компьютера и его подсистем используются такие понятия, как: операционное устройство, процессор, конвейер, основная память, кэш, внешнее устройство, адаптер, интерфейс, шина, канал и другие. Под структурой, или структурной схемой, понимается логическая организация компьютера или какой-либо его подсистемы на уровне аппаратуры (hard – железо), то есть состав его устройств, соединения между ними, характеристики взаимодействия аппаратных модулей в процессе выполнения программ (soft), поддерживающих их функционирование, и, наконец, основные принципы его физической реализации на конкретных наборах микросхем.

Центральный процессор (далее ЦП) – это основное устройство компьютера. Процессор осуществляет выборку команды из памяти и выполняет операцию, указанную в команде, например, сложение, вычитание и т.д. В современных ЭВМ процессор также организует свое взаимодействие с внешними устройствами. ЦП и основная память – это центральные устройства ЭВМ.

Организация центрального процессора определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные элементы), а также технико-экономическими показателями.

Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств: средства обработки, средства управления системой и программой, локальная память, средства управления вводом-выводом и памятью, систем­ные средства.

Существует обязательный (стандартный) минимальный набор функцио­нальных средств для каждого типа центрального процессора. 

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что ЦП, как было отмечено ранее, является центральным устройством ЭВМ, по сути, его «мозг». Без процессора невозможна не просто нормальная работа ПК, но и банальный его запуск. Поэтому важно знать его назначение, функции и виды.

Вопросами касающимися изучения процессора персонального компьютера занимались такие ученые как Барабанов Ю.А., Баула, В. Г., Бройдо, В. Л., Довгий П. С., Поляков В. И., Келим, Ю. М., Локтюхин В.Н., Маликов, К.Б., Партыка, Т. Л., Рудометов Е.А., Тюрин И. В. и др.

Цель работы – рассмотреть назначение, функции и классификацию процессора персонального компьютера.

Объектом исследования является процессор персонального компьютера.

Предметом исследования является назначение, функции и классификация процессора персонального компьютера.

Для достижения поставленной цели, в работе будут решены следующие задачи:

– рассмотреть назначение, функции и основные характеристики процессора;

– изучить внутреннее устройство микропроцессора;

– рассмотреть классификацию процессоров;

– рассмотреть общую характеристику процессоров семейства Intel;

– рассмотреть общую характеристику процессоров семейства AMD;

– обозначить перспективы развития процессоров персонального компьютера.

Структура работы состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованных источников.

1. Общая характеристика процессоров персонального компьютера

1.1. Назначение, функции и основные характеристики процессора

Типовые функциональные узлы цифровой электроники являются основой построения электронных модулей высших уровней конструктивной иерархии – ячеек и блоков. Ячейка представляет собой функциональный узел, выполненный на основе печатного монтажа. Основу ячейки составляют ИМС и другие электронные компоненты [9, с. 64].

Примерами ячеек служат системная плата, видеоадаптер и другие типовые узлы, входящие в состав ЭВМ. К настоящему времени сформировался определённый подход к составу типовых узлов компьютерной техники, которые в зависимости от технических характеристик СВТ, могут иметь различную схемотехническую и практическую реализацию. Так, например, процессор современного персонального компьютера выполнен в микроминиатюрном интегральном исполнении, а процессор суперЭВМ может занимать целый шкаф с размещёнными в нём блоками и ячейками. Поэтому вне зависимости от того, какой вычислительной мощностью и эксплуатационными возможностями обладает то или иное СВТ, состав его основных компонентов и узлов будет одинаковым и соответствовать типовой структуре ЭВМ.

Для лучшего представления о работе ЭВМ в целом и протекающих процессах в её отдельных узлах в частности необходимо хорошо знать работу входящих в её состав компонентов, как по отдельности, так и при их совместном взаимодействии. Поскольку наибольшее распространение сейчас получили персональные компьютеры, то в данной работе описание основных компонентов и узлов СВТ будет проводиться в основном применительно к ПЭВМ как к наиболее яркому и представительному классу современных СВТ.

Под персональным компьютером, или персональной ЭВМ (ПК, или ПЭВМ), понимают настольную ЭВМ, имеющую эксплуатационные характеристики бытового прибора и универсальные функциональные возможности [5].

На рисунке 1 приведена укрупненная структура гипотетической ЭВМ.

Рисунок 1 – Укрупненная структура персонального компьютера [10, с. 8]

В ее состав входят следующие устройства [10, с. 8]:

1. Основная память (ОП) служит для хранения программы в виде последовательности команд, исходных, промежуточных данных и результата в виде двоичных слов. Физически ОП реализуется на основе полупроводниковых больших интегральных схем (БИС) памяти.

2. Устройство ввода необходимо для ввода исходных данных и программы в память ЭВМ.

3. Устройство вывода служит для вывода результата в форме, удобной для восприятия пользователем или управления. Современные компьютеры характеризуется большим многообразием и значительным числом подключаемых к нему устройств вводавывода (УВВ), которые, включая внешнюю память, также называют внешними (ВУ) или периферийными (ПУ) устройствами. К ним относятся клавиатура, дисплей, мышь, принтер, сканер и другие.

4. Центральный процессор – это основное устройство компьютера. Процессор осуществляет выборку команды из памяти и выполняет операцию, указанную в команде, например, сложение, вычитание и т.д. После выборки текущей команды процессор формирует адрес следующей команды. В современных ЭВМ процессор также организует свое взаимодействие с внешними устройствами. ЦП и основная память – это центральные устройства ЭВМ.

Центральный процессор (ЦП, central processing unit – CPU) – это процессор, выполняющий в данной вычислительной машине или системе основные функции по обработке информации и управлению работой других частей вычислительной машины. Другими словами, это главная часть аппаратного обеспечения компьютера, т.е. основной электронный блок или устройство, исполняющее машинные инструкции (код программ). Если центральный процессор реализован в виде одной интегральной микросхемы, то он называется микропроцессором (рис. 2) [18, с. 24].

Рисунок 2 – Процессор Intel Core

Эволюция технологических процессов производства микропроцессоров фирмы Intel представлена в таблице 1 [17, с. 23].

Таблица 1 – Эволюция технологических процессов фирмы Intel

Из нее видно, что начиная с 2004 г. минимальный топологический размер в микропроцессоре стал меньше 100 нм, таким образом, с этого момента можно начинать отсчет эпохи наноэлектроники.

Как уже было сказано, процессор выполняет очень важную функцию в компьютере. От мощности процессора зависит то, насколько хорошо себя проявят остальные компоненты. Если мощности процессора не хватает для того, чтобы стабильно грузить приложение или игру, то видеокарта также не сможет проявить себя.

Далее приведены основные функции центрального процессора [21]:

– выборка (чтение) выполняемых команд;

– ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;

– вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;

– обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;

– адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;

– обработка прерываний и режима прямого доступа.

Это основные функции ЦП. Все эти функции он выполняет каждую секунду своей работы, обеспечивая стабильную работу компьютера.

Характеристики любого центрального процессора оказывают большое влияние на быстродействие как отдельных элементов системы, так и всего комплекса устройств в целом. Среди основных характеристик, влияющих на параметры производительности, выделяют [22]:

1. Тактовая частота. Для обработки одного фрагмента данных, передаваемых внутри ПК, требуется один такт времени. Отсюда следует, что чем выше тактовая частота приобретаемого ЦП, тем быстрее работает устройство обрабатывая за раз большие массивы информации. Измеряется тактовая частота в мегагерцах. Один мегагерц эквивалентен 1 миллиону тактов в секунду. Старые модели имели маленькую частоту, из-за чего скорость работы оставляла желать лучшего. Современные модели имеют большие показатели тактовой частоты, позволяя быстро обрабатывать и выполнять самые сложные наборы команд.

2. Разрядность. Информация, предназначенная для обработки ЦП, попадает в него через внешние шины. От разрядности зависит какой объем данных передается за один раз. Это влияет на быстродействие. Старые модели были 16 разрядными, а современные имеют 32 или 64 разряда. 64 разрядная система на сегодняшний день считается самой продвинутой и под нее разрабатываются современные программные продукты и устройства.

3. Кеш – память. Используется для увеличения работы устройства в компьютере, создавая буферную зону, хранящую копию последнего массива данных, обработанного процессором. Это дает возможность быстро выполнить схожую операцию в случае необходимости, без траты времени на обращение к общей памяти персонального компьютера.

4. Сокет. Вариант крепления устройства к материнской плате. Разные поколения процессоров, как и материнских плат имеют собственный поддерживаемых сокетов. Это стоит учитывать при покупке. У разных производителей сокеты также отличаются друг от друга.

5. Внутренний множитель частоты. Процессор и материнская плата работают на разных частотах и для их синхронизации друг с другом существует множитель частоты. Базовой или опорной считается рабочая частота материнской платы, которая умножается на персональный коэффициент ЦП.