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

Введение

Процессоры персональных компьютеров отвечает стандартам, которые были заданы Intel своим первым микропроцессором, который был Intel 4004. На данный момент процессоры персональных компьютеров развиваются не так быстро как в прошлом в связи с усложнением поддержания правила Фон Неймана и отсутствия сильной конкурентных решений. Параллельно Intel существует AMD, которая не так популярна и доходна, но в попытках предугадать будущее индустрии выпускает технологии, которым применение будет через несколько лет, благодаря чему и существует и даже такие гиганты современной индустрии, как Intel берут на вооружение некоторые технологии разработанные компанией AMD.

В основе домашнего, а так же любого компьютера лежит использование процессора. Процессор является одним из важных устройств компьютера, с его помощью определяют множество возможностей, начиная от обработки графики до сверхточных вычислений для траектории полёта ракет. Процессор является важным элементом осуществляющий выполнение программ и управляет работой остальных комплектующих, так же от него зависит просчёт анимации и скорость архивации. Учитывая выше изложенное считаю, что тема данной курсовой работы актуальна.

Цель работы состоит в создание полного представления о работе процессора, о его назначениях функциях, как он классифицируется и чем так важен в современном мире.

1. История появления Процессоров.

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры). Позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметически-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только мало серийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора.

Сейчас слова «микропроцессор» и «процессор» практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё, по крайней мере, 10—15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц и стоил 300 долл.

Далее его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешевый 8088, упрощенная версия 8086, с 8-разрядной шиной данных. Затем последовала его модификация, 80186.

В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.

Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, резвившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры, как Alpha, POWER, SPARC PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

1.1. Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров, в общем, основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого Джоном фон Нейманом. Джон фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

2. Архитектуры и технологии использующееся в современных процессорах.

Главной особенностью является Архитектура и методы обработки данных. В истории создания процессоров было множество архитектур, и сейчас рассмотрим эти архитектуры:

2.1. Архитектура CISC

Полный набор команд, в данной архитектуре стремились иметь отдельную машину команд для каждого возможного действия по обработке данных. Основные черты организации CISC процессоров: 1) Большое количество различных машинных команд, каждая из которых выполняется за пару тактов ЦП 2) Устройство Управления с программируемой логикой. 3) Небольшое количество регистров общего назначения 4) Различные форматы команд с разной длинной Но такой подход привёл к тому, что некоторые команды стало невозможно выполнять чисто аппаратными средствами в результате в процессорах появились блоки которые выполняли сложные команды последовательностями из более простых команд.

2.2. Архитектура RISC

Архитектуре обусловлено тем, что большинство команд современных процессоров, которые относятся к классу СISC, сложные команды на стадии декодирования сводят к набору простых команд RISC, а ядро процессора реализуется как RISC-процессор. Главная особенность в том, что эта архитектура построена на максимально эффективном конвейере команд, это значит, что все команды извлекаются из памяти и поступают в ЦП на обработку в виде потока. В архитектуре RISC в основном находятся только часто используемые команды (10-20%) от всех команд и чаще востребованы в основном пересылка данных и арифметические и логические операции.

2.3. Архитектура VLIW

Архитектура с командными словами сверхбольшой длинны известна с начала 80-х годов. Идея базируется на том, что задача эффективного планирования параллельного выполнения команд, которая возлагается на компилятор. Компилятор анализирует программу, ищет команды, которые можно выполнить одновременно без возникновения конфликта. Компилятор может частично имитировать работу программа. После компилятор объеденяет несколько простых команд в одну сверхдлинную. Длинна команд от 256 до 1024 битов.В качестве простых команд, образующих сверхдлинную, обычно используются команды RISC-типа, поэтому архитектуру VLIW иногда называют постRISC-архитектурой.

2.4. Архитектура EPIC

Дальнейшее развитие идеи VLIV, это своего рода усовершенствованная технология VLIV. Команды упаковываются(группируются) компилятором в сверхдлинную команду длинной в 128 разрядов. Связка содержит три команды и шаблон в котором указана зависимость между командами (можно ли с командой I0 запустить параллельно I1, или же I1 должна выполниться только после I0), а также между другими связками (можно ли с командой I2 из связки S0 запустить параллельно команду I3 из связки S1) Суть в том, что еще компилятор указывает, что обе ветви выполняются на процессоре параллельно.

2.5. Архитектура CISC-процессора с RISC-ядром.

В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды CISC в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда CISC может порождать несколько RISC-команд. Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук.

Это потребовалось для увеличения скорости обработки CISC-команд, так как известно, что любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду. В итоге, такой подход и позволил поднять производительность CPU.

Так же одной из особенностей именно процессора является систем прерывания для перераспределения задач или для выполнения более важной задачи Во время выполнения программы внутри ЭВМ и во внешней среде могут возникать события, требующие немедленной реакции на них со стороны машины.