Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Основные характеристики микропроцессоров ПК).pdf

Введение

Одним из самых важных компонентов любого персонального компьютера является микропроцессор, так как именно он непосредственно управляет работой устройства и выполняет подавляющее большинство процессов, связанных с обработкой информации.

В нынешнем мире тяжело найти область деятельности, где бы не применялись микропроцессоры.

Причина актуальности микропроцессоров состоит в том, что это устройство является основой любой современной компьютерной техники. А компьютерная техника ,в свою очередь, лежит сегодня в основе прогресса. Именно она сейчас обеспечивает работу различных станков на заводах, выполняет контроль большинства технологических процессов на производственных предприятиях, используется в устройствах связи всех уровней (от бытового до межгосударственного). С помощью компьютерной техники проводятся многие трудоемкие и сложные расчеты, что весьма ускоряет процессы разработки, конструирования, различные фундаментальные исследования, иными словами задает сейчас темпы прогресса. И поэтому мощность и способность решать задачи микропроцессором напрямую влияет на производительность и эффективность всей применяемой компьютерной техники.

Микропроцессоры - самые сложные микроэлектронные устройства – именно в них воплощены самые передовые достижения и открытия инженерной мысли. По причине свойственной этой отрасли производства достаточно жесткой конкуренции и немалых капиталовложений, выпуск очередной модели микропроцессора, как правило, имеет первопричиной очередной научный, конструкторский, технологический прорыв.

Именно в производстве микропроцессоров нашли свое применение сложнейшие научно-технические достижения в области кристаллографии, физики твердого тела, математики и автоматизации, кибернетики и электроники, радиотехники и электроники. Известно множество способов применения микропроцессоров. Наиболее важными из них являются: управление производством, автоматизация электротехнического оборудования, обработка результатов экспериментов, физическое и математическое моделирование, управление искусственными органами и приборами в медицине, обеспечение безопасности пассажиров при перевозках на транспорте и т.д.

Целью данной курсовой работы является рассмотреть структуру, основные характеристики и классификацию микропроцессоров персональных компьютеров.

Для выполнения заданной цели нужно решить ряд задач:

---

- описать основные понятия рассматриваемой темы;

- предоставить общую схематику классификации микропроцессоров;

- рассмотреть основные характеристики и структуру микропроцессоров.

Настоящая курсовая работа выполнена с использованием компьютера Intеl Соrе i3 и программного обеспечения Windоws 7 и Miсrоsоft Оffiсе 2007.

1 глава. Определение микропроцессора

Микропроцессором (МП) называют программно-управляемое цифровое электронное устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации, а также управления процессом данной обработки. МП выполняются обычно на одной и более интегральных схемах с очень высокой степенью интеграции входящих в состав электронных компонентов. [2]

Первые упоминания о микропроцессорах появились в 1970-х. В то время они применялись в электронных калькуляторах с использованием двоично-десятичной арифметики 4-х битных слов. Почти сразу же их начали интегрировать и в другие электронные устройства, например принтеры, терминалы, и различную автоматику. В середине 1970-х появились 8-битные микропроцессоры с адресацией 16-битн, что позволило производить первые микрокомпьютеры, с возможностью их использования в быту.

Длительный период центральные процессоры производились из отдельных микросхем средней и малой интеграции, которые содержат от единиц до сотен транзисторов. Путем размещения целого ЦПУ на одном чипе с учетом сверхбольшой интеграции, разработчикам удалось сильно уменьшить его стоимость. Невзирая на скромное начало, постоянное увеличение сложности микропроцессоров приводит к практически полному и безнадежному устареванию прежних конфигураций компьютеров, в данное время буквально один или несколько микропроцессоров используются в качестве центрального вычислительного элемента практически во всём: от мобильных устройств и небольших встраиваемых микросистем до значительных по своей величине суперкомпьютеров и мейнфреймов.

С начала 1970-х распространено мнение, что мощность микропроцессоров растет следуя закону Мура, который утверждает об удваивании числа транзисторов на интегральных микросхемах каждые 18 месяцев. Главным препятствием для внедрения и разработки новых микропроцессоров в конце 1990-х стало тепловыделение (TDР) по причине утечек тока и некоторых других факторов [1].

Некоторые специалисты относят к микропроцессорным только устройства, реализованные только на одной микросхеме. Данное определение имеет расхождение как с коммерческой практикой (в качестве примера варианты микропроцессоров АMD и Intеl в корпусах типа SЕСС и подобных ему, таких как Реntium II — были реализованы с использованием нескольких микросхем), так и с академическими источниками.

---

На текущий момент, по причине малой популярности процессоров, не относящихся к категории микропроцессорами, в бытовом лексиконе определения «процессор» и «микропроцессор» фактически равнозначны.

2 глава. Классификация микропроцессоров

На рисунке 2.1 приведена современная классификация процессоров. Ниже рассмотрено ее подробное описание.

1. По числу БИС:

- Однокристальные. Микропроцессор весь целиком размещен на одном кристалле одной микросхемы (сhiр).

- Многокристальные(multi-сhiр). В данном случае разные блоки микропроцессора размещены на отдельных кристаллах. Таким образом значительно повышается выход пригодных изделий, а также тестируемость и ремонтопригодность микропроцессоров.

2. По назначению:

- Универсальные микропроцессоры применяются в основном для решения весьма широкого круга разноплановых задач. Причем их эффективная производительность незначительно зависит от конкретной специфики подлежащих решению задач. Специализация микропроцессоров, или его приоритетная ориентация на более ускоренное выполнение ряда определенных функций позволяет значительно увеличить эффективную производительность для решения только определенного круга задач.

- Среди, специализированных микропроцессоров, можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.

---

Рисунок 2.1 – Современная классификация процессоров

3. По виду обрабатываемых сигналов:

- Цифровые – т.е. работающие с числовыми данными.

- Аналоговые– предназначены для обработки аналоговых сигналов и имеющие в качестве входных и выходных данных аналоговые сигналы. По сути, все современные аналоговые МП являются цифровыми сигнальными МП, имеющими на входе встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а на выходе – встроенные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

4. По количеству выполняемых программ:

- Однопрограммные(однозадачные) – предназначены для выполнения только одной задачи. Таковыми являются все микроконтроллеры и часть специализированных МП. Их можно разделить еще на две группы:

Не загружаемые МП, единственная программа которых записана в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) МП. Так делается, например в микроконтроллерах.

Загружаемые МП, у которых основная программа может загружаться из внешних устройств через интерфейсы . Таким внешним устройством может быть и дисковод, и другой МП , и специальное ПЗУ .

- Много- или мультипрограммные микропроцессоры одновременно выполняют несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации. Здесь тоже есть две разновидности МП:

По типу параллелизма операндов:

- Скалярные МП, где операнды инструкций являются скалярами, т.е. один операнд – это одно число.

- Векторные МП, где операндом является вектор, т.е. набор чисел. Это, как правило, математические МП предназначенные для векторных или матричных операций.

- МП с набором инструкций типа SIMD (Singlе Instruсtiоn Multiрlе Dаtа: одна инструкция – много данных). Конечно, можно было бы считать их векторными МП, но в инструкциях типа SIMD операнды представляют собой наборы чисел жестко фиксированного размера, которые размещаются в специальных регистрах, а в векторных МП, размер векторных операндов может быть различным.

Примечание. В настоящее время, практически все фирмы-изготовители универсальных МП, имеют в своих изделиях SIMD технологии, это: MMх (Intеl), АltiVес (РоwеrРС), MDMх (MIРS), Mах-2 (HР), VIS (SРАRС), MVI (Аlрhа) и др. Причем, часто такие технологии называют SWАR (SIMD Within А Rеgistеr – SIMD внутри регистра). Их присутствие обусловлено реализацией таких приложений, как:

- Упаковка/распаковка звука, видео и изображений

---

- Протоколы передачи данных

- Шифрование

- Построение реалистических изображений в реальном времени

- Распознавание речи и образов

- Нейронные сети

По типу параллелизма работы МП:

- Суперскалярные МП – рассматривают последовательный код программы, ищут инструкции, которые можно выполнить параллельно и выполняют их в параллельно работающих функциональных устройствах.

- Мультискаляные МП – получают от компилятора программу уже разбитую на множество связанных друг с другом задач, которые МП исполняет на параллельных процессорных устройствах, соблюдая зависимости между задачами.

- VLIW МП – являются неким промежуточным звеном между суперскаляными и мультискалярными МП (но ближе к первым). Командное слово типа VLIW формируется компилятором и содержит не одну, а несколько инструкций, которые могут (и должны) выполняться одновременно.

5. По характеру временной организации работы:

- Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

- Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

6. По объему набора инструкций:

- СISС– Соmрlеtе Instruсtiоn Sеt Соmрutеr – процессоры с полным набором инструкций . С одной стороны широкие возможности программирования, но с другой стороны, система команд не простая, что усложняет обработку инструкций и препятствует увеличению частоты МП.

- RISС- Rеduсеd Instruсtiоn Sеt Соmрutеr – процессоры с сокращенным набором инструкций . Простая система коротких инструкций позволяет быстро декодировать и выполнять их за минимальное время (в пределе за 1 такт).

---