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

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации. (1)

Исходя из выше изложенного, можно сделать следующий вывод о том, что микропроцессор - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, служащее для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки. Микропроцессоры можно классифицировать по следующим характеристикам:

1. числу больших интегральных схем;
2. назначению;
3. виду обрабатываемых входных сигналов;
4. характеру временной организации работы;
5. количеству выполняемых программ.

2. Структура микропроцессора

Процессор (микропроцессор, центральный процессор, CPU) — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ. (3)

В компьютере может быть несколько процессоров. При этом собственными процессорами снабжены звуковая плата, видео плата и разнообразные внешние устройства, такие как принтер, факс и т.п. Иногда производительность таких микросхем может быть выше Центрального процессора. Отличие от него заключается в том, что они являются узкоспециализированными, то есть отвечают за обработку одного параметра: звука или видео. Центральный же процессор отличается своей универсальностью. Он, при наличии соответствующего программного обеспечения и нужной мощности, может взять на себя любую работу и выполнить любую функцию.

Процессор представляет собой кристалл, который выращивают по специальной технологии. Вместе с тем, он содержит и множество элементов, которые и наделяют компьютер способностью производить определенные операции, - это транзисторы, которые соединены контактами. Однако, один транзистор никаких вычислений произвести не может, т. к. он способен лишь пропустить сигнал дальше или задержать его. Наличие сигнала означает логическую единицу (да), отсутствие сигнала дает логический ноль (нет).

---

Микропроцессор состоит из ряда важных устройств: управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации. Это можно представить в виде схемы на рисунке 3.

Рис. 3. Структура типового микропроцессора.

Рассмотрим более подробно совместно работающие устройства, которые и формируют микропроцессор:

• Устройство управления – формирует и подает во все блоки ЭВМ в нужные моменты времени определенные сигналы управления. Сигнал обусловлен спецификой выполнения операции и результатом предыдущей. Он формирует адреса ячеек памяти, используя выполнение операции передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ.
• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над данными, т.е. над числовой и символьной информацией. (4) АЛУ по функциональности состоит из следующих элементов: 2-а регистра, сумматор, схемы управления (местное устройство управления).

Сумматор – это вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов. Имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины, 1ый имеет разряд двойного слова, а 2ой разряд одного слова. Регистры - это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информации микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций.

• Микропроцессорная память - служит для кратковременного хранения записи и выдачи информации, непосредственно используемых в вычислениях в ближайшие такты работы микропроцессора. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. (4) Нужно отметить, что данные, которые попадают в некоторые регистры, рассматриваются как команды управления обработкой данных в других регистрах. (3)
• Кэш-память. Накопителем для данных является буферная память. Согласно «Новейшей энциклопедии персонального компьютера» Леонтьева В.П., в современных процессорах используется два типа кэш-памяти: первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня — чуть помедленнее, зато больше — от 128 килобайт до 2 Мб.
• Шины управления. Шинами называют группы проводников, с которыми связан процессор. Выделяются следующие основные группы шин: адресная шина, шина данных, командная шина.

---

Для передачи адреса используется адресная шина или ее часть. Адресная шина применяется ЦП при выборе требуемой ячейки памяти, устройства ввода-вывода через установку на шине конкретного адреса, который соответствует какой-либо ячейке памяти или одному из элементов ввода-вывода, которые в ходят в систему.

Шина данных представляет собой информационную магистраль, с помощью которой процессор обменивается данными с другими устройствами.

Шина команд нужна для передачи управляющих сигналов, которые предназначены памяти и устройствам ввода-вывода. Такие сигналы указывают направления передачи данных, т.е. в процессор или из него.

Все эти устройства находят место на кристалле, площадь которого не более 4-6 квадратных сантиметров. (5)

В состав процессора не входит генератор тактовых импульсов, но он входит в микропроцессорный комплект (чипсет – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.). Генератор тактовых импульсов – генерирует последовательность электрических импульсов и частоту генерации импульсов, определяющую частоту ЭВМ. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.

3. Основные характеристики микропроцессоров ПК

Есть две главные характеристики, по которым микропроцессоры отличаются друг от друга – это тактовая частота и разрядность.

Более подробно рассмотрим процессоры по их основным характеристикам.

Тактовая частота – это характеристика, которая указывает, сколько элементарных операции (т.е. тактов) микропроцессор производит в одну секунду. Единицей измерения тактовой частоты служит мегагерц (МГц). При этом одинаковые модели МП могут иметь разную тактовую частоту. Цена микропроцессора и производительность будет выше, чем выше тактовая частота. Одни и те же операции разные микропроцессоры выполняют за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.

---

Исходя из того, что каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов, можно выделить частоту генератора тактовых импульсов, как важную и определяющую характеристику ПК. Именно частота определяет скорость работы компьютера.

Разрядность процессора – это следующая основная характеристика, по которой различаются микропроцессоры. Разрядность - это максимальная длина двоичного кода, который может обрабатываться или передаваться процессором целиком. У первых моделей компьютеров разрядность процессоров была равна 8 битам. Позже появились 16-разрядные процессоры. Скачок в развитии разрядности процессоров ПК произошел в 2002 году, когда компания «AMD» выпустила на рынок процессоры с расширенной 64-битной «IA32 — AMD64» архитектурой, вместо стандартной 32-битной. В настоящее время все же чаще используют 32-разрядные процессоры. Процессоры с разрядностью 64 бита имеют высокопроизводительные машины.

Есть еще ряд характеристик, по которым отличаются микропроцессоры – это быстродействие микропроцессора и архитектура.

Рассмотрим эти характеристики микропроцессоров:

Быстродействие – это число элементарных операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени (операции/секунда).

Архитектура микропроцессора – это система команд и способов адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В зависимости от особенностей архитектуры, определяющей свойства системы команд, выделяют следующие типы микропроцессоров:

- CISC (Complex Instruction Set Computer) – это компьютеpы со сложной системой команд. Они пеpвые включают большое количество команд. К типу CISC относятся все микpопpоцессоpы фиpмы INTEL.

- RISC (Reduced Instruction Set Computer) – это компьютеp с сокpащенной системой команд. Система команд сокpащена до такой степени, что каждая инстpукция выполняется за единственный такт. Это позволило упpостить стpуктуpу микpопpоцессоpа и увеличилось его быстpо действие. Пpимеpом микpопpоцессоpа с RISC-аpхитектуpой является Power PC. Микpопpоцессоp PowerPC, который начал pазpабатываться в 1981 году тpемя фиpмами: IBM, Motorola, Apple.

- MISC (Minimum Instruction Set Computer) – это компьютеp с минимальной системой команд. В микропроцессорах такого типа последовательность пpостых инстpукций объединяется в пакет, таким обpазом пpогpамма пpеобpазуется в небольшое количество длинных команд.

- VLIW (Very Long Instruction Word) – это тип микропроцессоры со сверхбольшим командным словом. Это архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Данный тип микропроцессоров характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно (6). Можно определить также, что это микропрограммное управление, когда машинный код представляет собой лишь немного свёрнутый микрокод для непосредственного управления аппаратурой.

---

4. Инновационные конструктивные решения

19 апреля 1965 года 36-летний глава научно-исследовательского отдела фирмы Fairchild Semiconductor опубликовал прогноз в отраслевом журнале Electronics. Ученый утверждал, что число компонентов — транзисторов — на одном компьютерном чипе будет удваиваться каждый год, а стоимость на чип будет оставаться постоянной.

«Интегральные схемы приведут к таким чудесам, как домашние компьютеры — или, по крайней мере, терминалы, подключенные к центральном компьютеру, — автоматическому контролю автомобилей, а также персональному портативному коммуникационному оборудованию», — писал этот ученый Гордон Мур.

В то время Мур думал, что его прогноз будет справедливым по меньшей мере десять лет — с 60 компонентов на одном кремниевом чипе до 65 000 к 1975 году. В том году он пересмотрел свой прогноз до удвоения каждые два года. Тогда же он стал сотрудничать с небольшой компанией Intel, которая однажды станет самой крупной полупроводниковой компанией в мире. (7)

Как бы ни рассматривался закон Мура с позиции мира полупроводниковой продукции, производители чипов всегда старались его придерживаться и искали способы уменьшения размеров транзисторов для создания более мощных продуктов без необходимости в увеличении их площади и уровня энергопотребления. Однако предел есть всему.

Ассоциация полупроводниковых устройств (Semiconductor Industry Association, в которую входят различные компании, включая IBM и Intel) опубликовала перспективный план развития технологии, согласно которому уменьшение размеров транзисторов прекратится после 2021 года. Дело в том, что дальнейшее уменьшение размера будет очень непрактичным с финансовой точки зрения: компании просто не смогут окупить производство таких транзисторов. (8)

Выходом из этой ситуации может послужить переход на производство трехмерных чипов и другие технологии, которые позволят эффективно использовать имеющуюся площадь чипов. (8)

Развитие вычислительной техники идет непрерывно. Постоянно конструкторы ищут новые пути совершенствования своих изделий. Наиболее ценным ресурсом процессоров является их производительность. По этой причине изобретаются разнообразные приемы повышения производительности процессоров.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) — перспективный материал, который планируется использовать в широком спектре отраслей — от производства велосипедов до микроэлектроники. (9)

---