Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров для ПК.pdf
Добавлен: 14.06.2023
Просмотров: 178
Скачиваний: 2
Введение
Если еще недавно компьютеры были только у тех людей, чья работа была непосредственно связана с ними, то сегодня сложно представить себе жизнь без персональных компьютеров. ПК есть почти в каждой семье, зачастую, даже не в единичном экземпляре. Их сфера применения весьма обширна организация рабочего места в офисе, или домашний ПК для выхода в интернет, или мощная игровая система. Сердцем же персонального компьютера можно назвать его центральный процессор (Central Processor Unit – CPU), который управляет его работой и в котором выполняется большая часть вычислений. Во многом от микропроцессора зависит производительность ПК в целом.
Микропроцессоры выполняют роль не только центрального процессора ПК, свой микропроцессор имеет звуковая и графическая плата, свой процессор может иметь даже клавиатура или компьютерная мышь. Компьютерная техника не единственная сфера применения микропроцессоров. Микропроцессоры установлены в телефоны, телевизоры, микроволновые печи, холодильники, автомобили и т.д. управляют станками на заводах. Возможности современных процессоров не идут ни в какое сравнение с процессорами недавнего прошлого. А с ростом их возможностей ширится и их сфера применения.
Развитие микропроцессоров напрямую оказывает влияние на нашу жизнь в самых разных ее областях.
Цель данной курсовой работы мы изучить классификацию, структуру и характеристики микропроцессоров ПК, историю их создания и принципы работы.
1.1 Определение микропроцессора
Микропроцессором называется программно-управляемое устройство, осуществляющее прием, обработку и выдачу цифровой информации, реализованное в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем.
В процессе длительного развития произошла дифференциация микропроцессоров по функционально-структурным особенностям и областям применения. В настоящее время имеются следующие основные классы микропроцессоров: универсальные микропроцессоры; микроконтроллеры; сигнальные процессоры. [5, с. 5]
Универсальные микропроцессоры предназначаются для применения во всех типах вычислительных устройств: персональных ЭВМ, рабочих станциях, а в последнее время и в массово-параллельных суперЭВМ. Кроме того, универсальные микропроцессоры используются в телекоммуникационном оборудовании, системах автоматического управления и встроенной промышленной автоматике. Основной характеристикой этих микропроцессоров является наличие развитых устройств для эффективной реализации операций с плавающей точкой над 32 и 64-разрядными и более длинными операндами. В последнее время в состав этих микропроцессоров включаются функциональные блоки для обработки мультимедийной информации. [3, с. 45] Доминирующее положение на рынке универсальных процессоров занимают микропроцессоры с системой команд х86, основными производителями которых являются компании Intel, AMD и VIA. [3, с. 137]
Микроконтроллер — это микропроцессорное устройство, специализированное на выполнение определенных функций управления, регулирования, идентификации. От обычного микропроцессора он отличается наличием встречных таймеров, счетчиков, ПЗУ, ОЗУ, схем сравнения, аналого-цифрового преобразования, последовательной связи и т. д. Общее число типов кристаллов микроконтроллеров с различными системами команд превышает 500, и все они, в силу существования изделий с их использованием, занимают свою устойчивую долю рынка. Лидером в производстве микроконтроллеров является фирма Motorola, в числе ведущих производителей этих изделий находятся также фирмы NEC, Mitsubishi, Hitachi, Intel, Texas Instruments, Philips, Atmel, ST-Microelektronics, Microchip. [5, с. 6]
Сигнальные процессоры — относятся к классу специализированных микропроцессоров, ориентированных на выполнение алгоритмов цифровой обработки сигналов в реальном времени. Это обусловливает их сравнительно малую разрядность и преимущественно целочисленную обработку. Однако современные сигнальные процессоры способны проводить вычисления с плавающей точкой над 40-разрядными операндами. Основными производителями сигнальных процессоров являются фирмы Texas Instruments, Analog Devices, Motorola, Nec. [3, с. 45]
Однако говоря о микропроцессоре персонального компьютера, мы в первую очередь имеем ввиду его центральный процессор (являющийся универсальным микропроцессором). Далее в данной работе речь пойдет именно о CPU.
1.2 История создания и эволюции микропроцессоров
В 1969 году Intel (фирма основана в 1968) объявила о создании микросхемы, содержащей 1 Кбит памяти типа RAM. Тогда еще не существовало других микрокомпьютерных чипов, к которым можно было бы подключить эту микросхему памяти.
Создание микропроцессора началось с того, что японская компания Busicom заказала у Intel 12 микросхем, которые должны были использоваться в новом программируемом калькуляторе, но Тед Хофф из Intel предложил более интересное решение: одну универсальную микросхему, выбирающую команды из полупроводниковой памяти. Таким образом, полученное ядро могло справиться не только с требованиями Busicom, но и с множеством других задач.
Эта разработка оказалась настолько интересной, что Хоффу удалось убедить руководство компании выкупить права на нее у Busicom за $ 60 тыс. и развить идею. В результате в конце 1971 года была представлена микросхема i4004 стоимостью $ 200, содержащая 2250 транзисторов и работающая на частоте 92,6 кГц. [5, с. 17] 1 апреля 1972 года фирма Intel выпускает первый 8-битный процессор Intel 8008, а в апреле 1974 года его усовершенствованную версию — Intel 8080. Новый процессор выпускался по новейшей тогда 6-микронной NMOS технологии, что позволило разместить на кристалле 4500 транзисторов Процессор, хотя и был построен на архитектуре Intel 8008, но имел множество отличий от своего предшественника, благодаря которым и получил большую популярность. В новом процессоре была очень развита система команд — 16 команд передачи данных, 31 команда для их обработки, 28 команд для перехода (с прямой адресацией), 5 команд управления. В микропроцессоре Intel 8080 не было команд умножения, для их использования приходилось применять сопроцессор. Процессор, благодаря наличию 16-разрядной адресной шины, мог адресовать 64 Кбайт памяти, которая теперь не разделялась на память команд и данных. Хотя процессор и был 8-разрядным и содержал 7 8-битных регистров (A, B, C, D, E, H, L), он мог обрабатывать и 16-разрядные числа, для этого объединялись некоторые пары регистров (BC, DE, HL). В новом процессоре использовался стек внешней памяти (в i8008 стек был внутренним).
На базе микропроцессора Intel 8080 фирмой MITS был выпущен «первый в мире миникомпьютерный комплект, который может соперничать с промышленными образцами» (персональный компьютер) Altair-8800, который пользовался невероятно большой по тем временам популярностью. Множество фирм, видя, как развивается микропроцессорная индустрия, также пытались выпускать аналогичные продукты, практически все из которых являлись копиями процессора i8080 с небольшими изменениями. В числе таких фирм были Zilog (со своим процессором Zilog Z80), MOS Technology (со своими процессорами MOS Technology 6502), AMD (со своим процессором 8080A), также копии i8080 производили Mitsubishi, National Semiconductor, NEC, Siemens и другие. Отечественным аналогом был микропроцессорный комплект серии КР580, в частности, микропроцессор КР580ВМ80А. 8 июня 1978 года Intel выпускает свой первый шестнадцатиразрядный процессор Intel 8086, а 1 июня 1979 года его упрощенную версию Intel 8088. На основе Intel 8088 компания IBM выпускает в 1981 году персональный компьютер IBM PC. Первоначальный успех 8088 воодушевил компанию Intel на его дальнейшие усовершенствования. Особо примечательна версия 80386, выпущенная в 1985 году,- этот процессор был уже 32-разрядным. За ней последовал улучшенный вариант, который, естественно назывался 80486. Последующие версии назывались Pentium и Core. Эти микросхемы используются практически во всех современных персональных компьютерах. Архитектура процессоров этого семейства часто обозначается общим термином x86. [2, с. 44] Совместимые процессоры, производимые фирмами AMD и VIA, тоже называются x86.
В середине 80-х годов на смену CISC пришли компьютеры RISC. RISC-команды были проще и выполнялись гораздо быстрее. В 90-х появились суперскалярные процессоры, которые могли исполнять много команд одновременно, часто не в том порядке, в котором они располагаются в программе.
Вплоть до 1992 года персональные компьютеры были 8-, 16- и 32-разрядными. Затем появилась революционная 64-разрядная модель Alpha производства DEC – RISC-компьютер, намного превзошедший по производительности все прочие ПК.
В 1990-е годы компьютерные системы ускорялись посредством различных микроархитектурных оптимизаций. Однако к концу 1990-х годов тенденция к повышению скорости стала снижаться из-за двух важных препятствий в области проектирования: был исчерпан запас возможностей для ускорения программ, а охлаждение процессоров стало обходиться слишком дорого. Многие компьютерные компании, стремившиеся к построению более быстрых процессоров, обратились к параллельным архитектурам как к средству выжать больше быстродействия из своей электроники. В 2001 году компания IBM представила двухъядерную архитектуру POWER4 – первый образец крупносерийного центрального процессора, включавшего два процессора на одной подложке. В наши дни большинство процессоров для настольных систем и серверов состоят из нескольких процессоров. [2, с. 45]
1.3 Классификация микропроцессоров
Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками, так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие, как Pentium II, были реализованы на нескольких микросхемах).
В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны.
С момента создания первого однокристального процессора темпы развития технологий в этой отрасли промышленности постоянно увеличиваются. Поиски решений, нацеленных на достижение как можно большей продуктивности и эффективности, ведутся множеством фирм и исследовательских коллективов практически во всех возможных направлениях. Интенсивная работа на таком широком фронте привела к созданию тысяч разновидностей процессоров. На схеме, приведенной на рис.1, показаны только наиболее важные критерии, по которым можно классифицировать современные процессоры. [9, c. 301-302]
Рис. 1 Классификация микропроцессоров (Источник: Макаров Н. В., Волков В. Б. Информатика: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2011. – 576 с.)
При классификации процессоров по системе команд можно выделить две глобальные категории:
-CISC (Complex Instruction Set Computer) – процессор с полным набором инструкций, к которым относится и семейство х86. Состав и назначение их регистров существенно неоднородны, широкий набор команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает число тактов, необходимое для выполнения инструкций. [6, с. 35]
-RISC (Reduced Instruction Set Computer) – процессоры с сокращенной системой команд. Эти процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, причем их число может быть большим. Система команд отличается относительной простотой, коды инструкций имеют четкую структуру, как правило, с фиксированной длиной. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами декодировать и выполнять эти инструкции за минимальное (в пределе 1) число тактов синхронизации. Определенные преимущества дает и унификация регистров. [6, с. 35]
RISC-процессоры имеют команды обработки типа «регистр ← регистр, регистр» и команды сохранения «store» и загрузки «load» типа «память ← регистр» и «регистр ← память» соответственно. Функциональные преобразования могут выполняться только над содержимым регистров, а результат помещается также в регистр.
Как правило, в CISC-процессорах команды имеют много разных форматов и требуют для своего представления различного числа ячеек памяти. Это обусловливает определение типа команды в ходе ее дешифрации при исполнении, что усложняет устройство управления процессора и препятствует повышению тактовой частоты до уровня, достижимого в RISC-процессорах на той же элементной базе.
Очевидно, что RISC-процессоры эффективны в тех областях применения, в которых можно продуктивно использовать структурные способы уменьшения времени доступа к оперативной памяти. Если программа генерирует произвольные последовательности адресов обращения к памяти и каждая единица данных используется только для выполнения одной команды, то фактически производительность процессора определяется временем обращения к основной памяти. В этом случае использование сокращенного набора команд только ухудшает эффективность, т.к. требует пересылки операндов между памятью и регистром.
Развитие микропроцессоров происходит при постоянном стремлении сохранения преемственности программного обеспечения и повышения производительности за счет совершенствования архитектуры и увеличения тактовой частоты. Сохранение преемственности программного обеспечения и повышение производительности, вообще говоря, противоречат друг другу. Так, например, процессоры с системой команд x86, относящиеся к классу CISC-процессоров вплоть до Pentium Pro, имели более низкие тактовые частоты по сравнению с микропроцессорами ведущих компаний-производителей RISC-процессоров, изготавливаемых по одним и тем же технологическим нормам. Для этих процессоров существовали приложения, на которых производительность x86 микропроцессоров была значительно ниже, чем у RISC-процессоров, реализованных на той же элементной базе. Однако возможность использования совместимого программного обеспечения для различных поколений x86 процессоров обеспечивала им устойчивое доминирующее положение на рынке.
Затем на основе «пионерских» разработок компаний NexGen и AMD, позднее подхваченных Intel, была реализована успешная попытка решения проблемы повышения производительности в рамках архитектуры x86. Эти компании, сохраняя преемственность по системе команд с CISC-микропроцессорами семейства x86, создали новые устройства с использованием элементов RISC-архитектуры. Первыми примерами такого подхода могут служить микропроцессоры Nx586 (NexGen), К5, К6 (AMD), использующие концепцию RISC-ядра. В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды х86 в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда х86 может порождать до четырех команд RISC-процессора. Исполнение команд происходит, как в развитом суперскалярном процессоре. Компания Intel впервые использовала этот подход в своем микропроцессоре Pentium Pro, что весьма укрепило ее позиции на фоне достижений RISC-архитектур. [3, с. 61-63] Хотя при таком «гибридном» подходе производительность ниже, чем в архитектуре RISC, новая архитектура CISC имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет использовать старое программное обеспечение. [2, с. 84]