Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Архитектура микропроцессора ПК).pdf
Добавлен: 15.06.2023
Просмотров: 196
Скачиваний: 3
Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора.
Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 1,б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства "стыковки".
Для создания высокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиении структуры микропроцессора горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой из них в виде БИС. Все они образуют комплект секционных БИС МП.
Таким образом, микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность "наращивания" разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при "параллельном" включении большего числа БИС.
Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронных технологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальные секционные БИС МП на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов. Использование многокристальных микропроцессорных высокоскоростных биполярных БИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности. [9]
По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.
Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных 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. [10]
Разработанные однокристальные конвольверы используются в устройствах опознавания образов в тех случаях, когда возможности сбора данных превосходят способности системы обрабатывать эти данные.
По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры – цифровые устройства, однако, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.
Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.
Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала. [14]
Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.
Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.
2.2 Особенности мобильных микропроцессоров
Краткому обзору микропроцессоров, предназначенных для работы на таких мобильных электронных устройствах, как смартфоны, ноутбуки, планшетные компьютеры и т.д., посвящена данная статья. Процессор — это «мозг» компьютера, без которого он не может работать. Это устройство отвечает за выполнение компьютером вычислительных операций и операций управления, записанных в машинном коде. Микропроцессор — это процессор, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем. Мобильные микропроцессоры отличаются от обычных как внутренней конструкцией, так и внешней упаковкой. Это делается для уменьшения размеров и обеспечения минимальных энергопотребления и тепловыделения микропроцессоров. История развития микропроцессоров. Первые микропроцессоры появились в начале 1970-х гг. Их появлению способствовал прорыв в технологии со- здания интегральных схем. 15 ноября 1971 г. компания Intel приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004. Первые микропроцессоры применялись в электронных калькуляторах. Затем их стали встраивать и в другие устройства. Интенсивное внедрение микропроцессорной техники позволило значительно снизить стоимость компьютеров и способствовало появлению персональных компьютеров, доступных для множества людей. [15]
Технология создания микропроцессоров. Микропроцессоры формируются на поверхности тонких круговых пластин кремния – подложках — в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения. После этого пластины тестируют, чтобы проверить качество выполнения всех операций обработки. Затем пластины отправляются в сборочное производство, где их разрезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Далее каждый кристалл помещают в индивидуальный корпус. Затем процессор снова тестируют. Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди. В настоящее время ведется работа по замене соединительных проводов на импульсы германиевых лазеров, передающих данные с помощью инфракрасного излучения.
Такой способ передачи данных позволит в сотни раз увеличить объем ин- формации. Кроме того, сочетание традиционной кремниевой электроники с оптическими компонента- ми поможет сделать компьютеры более экологичны- ми и экономичными, так как лазеры потребляют меньше энергии, чем провода, и излучают меньше тепла в окружающее пространство. Классификация микропроцессоров. По функционально-структурным особенностям и области применения микропроцессоры подразделяются на следующие основные классы: универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой, универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой, специализированные микропроцессоры и микроконтроллеры. [1]
Характеристики микропроцессоров. Пользовательские характеристики микропроцессоров отражают их производительность, энергоэффективность, функциональные возможности и стоимость. К основным характеристикам современных микропроцессоров относятся: тактовая частота процессора (количество операций, которое может сделать процессор в единицу времени), количество ядер и объем кэш-памяти
Мобильные процессоры (чипсеты) — важная часть нетбуков, смартфонов и коммуникаторов. Микропроцессоры (микрочипы) состоят из тех же элементов, что и настольные. Микрочипы обеспечивают выполнение всех последовательностей команд на телефоне или планшетном компьютере. Мобильные процессоры отвечают за работу всех компонентов, размещен- ных на системной плате смартфонов и планшетов. Производители мобильной техники предъявляют к микрочипам гораздо более высокие требования, чем к настольным процессорам. Лидирующая позиция на рынке мобильных микро- процессоров принадлежит корпорации Intel. Значи- тельную часть этого рынка занимают микропроцессоры под названием Core Duo.
Они в основном применяются в мобильных продуктах высшего класса. Intel Core Duo — это специальные микропроцессоры с двойным ядром и низким энергопотреблением, оптимизированные для многопотоковых приложений и многозадачных работ. На них можно одновременно исполнять несколько приложений, например играть в игру, требующую интенсивной работы с графикой, или просчитывать сложную электронную таблицу и в то же самое время скачивать из интернета аудио- или видеофайлы большого размера либо выполнять фоновую проверку на вирусы. Специальные эффективные технологии управления энергопотреблением, встроенные в архитектуру микропроцессоров Core Duo, по- дают питание только в те области процессора, кото- рые в нем нуждаются, позволяя, таким образом, продлить время жизни батареи компьютера. Микропроцессор Core Duo состоит из двух ядер Pentium и кэша 1.2 размером в 2 Мб, общего для обо- их ядер, а также арбитра шины, который координирует деятельность кэша 1.2 и доступ к передней шине. Для взаимодействия с чипсетом применяется перед- няя шина с 4-кратной накачкой частоты 166 МГц, т.е. с эффективной частотой 667 МГц. Одновременно с выпуском микропроцессора Core Duo компания Intel выпустила микропроцессор Core Solo, который представляет собой одноядерную версию микропроцессо- ра Core Duo. [7]
Микропроцессоры Intel Core i3 принадлежат к са- мому недорогому семейству Intel Core. Эти процессоры работают на низкой тактовой частоте и не обладают функциями Turbo Boost и Trusted Execution. Core i3 — хороший выбор для тех пользователей, кого больше интересует стоимость, а не производительность. Микропроцессоры Intel Core i5 находятся в средней части шкалы микропроцессоров Intel. Их отличает более высокая тактовая частота, а также технологии Turbo Boost и Trusted Execution. Технология Intel Trusted Execution позволяет приложениям вы- полняться в их собственных защищенных областях, где коды другого программного обеспечения не могут с ними взаимодействовать, а значит, вирус не сможет заразить программы. Технология Turbo Boost позволяет следить за загрузкой процессора и, если одно из его ядер простаивает, снижает его тактовую частоту, одновременно увеличивая тактовую частоту нагруженных ядер. Таким образом, микропроцессоры с этой технологией могут выполнять однопоточные за- дачи намного быстрее, экономя и время пользователя, и энергию аккумулятора. Микропроцессоры Intel Core i7 — старшие мобильные микропроцессоры Intel — включают все перечисленные выше функции, и, кроме того, только в этом семействе микропроцессоров есть модели с четырьмя вычислительными ядрами. Если пользователю нужен микропроцессор с высокой тактовой частотой и максимальным количеством ядер, ему нужно обратить внимание на Core i7. Главный конкурент корпорации Intel на рынке со- временных мобильных микропроцессоров — компания AMD.