Микропроцессор

Микропроцессор
Оглавление
Введение

1. Структура микропроцессора

2. Основные характеристики микропроцессоров
3. Классификация микропроцессоров
Заключение
Практическая часть
Список литературы
Доработка

Введение

Для написания курсовой работы по информатике мною была выбрана тема: Класси-фикация, структура и основные характеристики микропроцессоров Персональных компьютеров (ПК).
Актуальность этой темы состоит в том, что микропроцессор компьютера является его «мозгом» или его основной составляющей. Полученные в ходе написания работы знания могут пригодиться в практической деятельности, например при покупке персонального компьютера.
Для раскрытия выбранной темы необходимо рассмотреть ряд вопросов, таких как: из чего состоит микропроцессор, какие характеристики надо учитывать при выборе персонального компьютера, каковы перспективы развития микропроцессоров, чем отличаются микропроцессоры основных фирм-производителей, на какие преимущества микропроцессоров следует обращать особое внимание.

1.Структура микропроцессора

Микропроцессор – это устройство, выполняющее обработку информации на персо-нальных компьютерах, управляет вычислительным процессом, арифметическими и логическими операциями.
Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства:
Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для цело-численных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции обрабатываются при помощи АЛУ. Эти опе-рации составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах — специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно испол-нять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: «Да» и «Нет» («1» и «0»). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.
AGU (Address Generation Unit) — устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.
Математический сопроцессор. Процессор может содержать несколько математи-ческих сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высоко-точные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления.
Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.
Дешифратор инструкций (команд). Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообще-ние другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.
Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процессора.
Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно
использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов.
Кэш второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня.
Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно ме-нее быстродействующая.
Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производи-тельных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не обяза-тельно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками.
Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процес-сором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется КЭШем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.
Шина — это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия
(параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств — получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью.
Типы шин:
Шина данных. Служит для пересылки данных между процессором и памятью или процессором и устройствами ввода-вывода. Эти данные могут представлять собой как команды микропроцессора, так и информацию, которую он посылает в порты ввода-вывода или принимает оттуда.
Шина адресов. Используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устрой-ства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.
Шина управления. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).
Регистры — это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специали-зированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информа-ции микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических,
логических и пересылочных операций. Над содержимым некоторых регистров спе-циальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, «вырезать» отдельные части команды для последующего их использования или вы-полнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.
Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.
счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очеред-ной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из по-следовательных ячеек памяти.
регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, не-обходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

рис. 1
На рисунке 1 изображен микропроцессор: Производитель AMD, Ассоциируемая платформаторговая марка AMD Athlon ™, тип разъема Socket AM2 , количество контактов 940, внутренняя тактовая частота 2000 MHz, частота шины данных 1000 MHz, количество ядер 2 шт., объем кэш памяти 1 уровня 2 x 128 KB, объем кэш памяти 2 уровня 2 x 512 KB, напряжение питания 1.20 V, наименование ядра Windsor, количество транзисторов 1000 шт.

1. Основные характеристики микропроцессоров
1. Тактовая частота микропроцессора
Импульсы тактовой частоты поступают от задающего генератора, располо-женного на системной плате.
Тактовая частота микропроцессора — количество импульсов, создаваемых генератором за 1 секунду.
Тактовая частота необходима для синхронизации работы устройств ПК.
Влияет на скорость работы микропроцессора. Чем выше тактовая частота, тем выше его быстродействие.
2. Быстродействие микропроцессора.
Быстродействие микропроцессора — это число элементарных операций, вы-полняемых микропроцессором в единицу времени (операции/секунда).
3. Разрядность процессора.
Разрядность процессора — максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.
4. Функциональное назначение микропроцессора.
1. Универсальные, т.е. основные микропроцессоры.
Они аппаратно могут выполнять только арифметические операции и только над целыми числами, а числа с плавающей точкой обра-батываются на них программно.
2. Сопроцессоры.
Микропроцессорный элемент, дополняющий функциональные воз¬можности основного процессора. Сопроцессор расширяет набор команд компьютера. Когда основной процессор получает команду, которая не входит в его рабочий набор, он может пере-дать управление сопроцессору, в рабочий набор которого входит эта команда.
Например, существуют сопроцессоры математические, графические и т.д.
5. Архитектура микропроцессора.
В соответствии с архитектурными особенностями, определяющи-ми свойства системы команд, различают:
1. Микропроцессоры с CISC архитектурой.
CISC — Complex Instruction Set Computer — Компьютерp со сложной системой команд. Исторически они первые и включают большое количество команд. Все микропроцессоры фирмы INTEL относятся к категории CISC.
2. Микропроцессоры с RISC архитектурой.

2. Классификация микропроцессоров
По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.
Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать авто-номно.
По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.
Универсальные микропроцессоры могут быть применены для реше-ния 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.
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 функциональные аналоговые 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.). 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.
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.
По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.
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.
По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно — и многомагистральные.
В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.
В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключа-ются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.
По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.
В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.
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.

Заключение
Микропроцессор представляет собой компьютер в миниатюре. Кроме обрабатывающего блока, он содержит блок управления, и даже память (внутренние ячейки памяти). Это значит, что микропроцессор способен автономно выполнять все необходимые действия с информацией. Многие компоненты современного персонального компьютера содержат внутри себя миниатюрный компьютер. Массовое распространение микропроцессоры получили и в производстве, там, где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд.
Микропроцессоры незаменимы в современной технике. Например, управление современным двигателем — обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т. д. — немыслимо без использования микропроцессоров. Еще одной перспективной сферой их использования является бытовая техника — применение микропроцессоров придает ей новые потребительские качества.
Вскоре на рынке появится новый микропроцессор, который в перспективе способен расширить выбор элементной базы для недорогих ПК. Микросхема называется IDT-C6 и представляет собой микропроцессор класса Pentium, изготовление которого компания Integrated Device Technology Inc. планирует начать осенью этого года. Компания, расположенная в Санта-Кларе (шт. Калифорния), намеревается выпускать микропроцессоры с внутренней тактовой частотой 150, 180 и 200 МГц и средствами MMX, сообщил Гленн Хенри, президент компании IDT, разработавшего эту микросхему.
Это все говорит о том, что производство и усовершенствование микропро-цессоров не стоит на месте. Современные технологии с каждым днем упро-щают работу человека с компьютером, давая ему больше возможностей для работы.
Практическая часть

Доработка

Слово «Socket» переводится с английского языка как «разъем» (куда устанавливается процессор), следующая за ним магическая цифра означает всего-навсего количество контактов. То есть Socket-754 содержит 754 контакта, а Socket-939 имеет 939 контактов.
Коренное различие между процессорами, ориентированными на разные сокеты, заключается во встроенном в них контроллере оперативной памяти. У процессоров, устанавливающихся в Socket-754, контроллер памяти одноканальный, а у процессоров, рассчитанных на Socket-939, он двухканальный. Именно для поддержки двухканальности контроллера памяти и потребовались «лишние» ножки в этом компьютерном разъеме.
Процессор соединяется с остальными блоками материнской платы с помо-щью шины, называющейся «HyperTransport». Частота работы этой шины для процессоров под Socket-754 равна 800 МГц. У процессоров же под Socket-939 частота шины составляет 1000 МГц. Socket-754, и Socket-939 используют, по сути, одни те же микропроцессоры, которые упакованы в разные корпуса.
Платформа Socket-939 на данный момент времени имеет два главных пре-имущества перед платформой Socket-754. Во-первых, под нее выпускаются процессоры Athlon-64 на современных ядрах. Под Socket-754 имеются только Athlon-64 на морально устаревших ядрах первых ревизий. Представители новых ядер (Winchester, Venice) попадают сюда только в виде процессора Sempron, у которого отсутствует поддержка 64-битных вычислений и уменьшен кэш.
Второе преимущество платформы Socket-939 заключаются в том, что дву-ядерные процессоры Athlon-64-X2 изначально предназначены для установки именно в Socket-939.
Подводя итог можно сказать что обычному домашнему пользователю предпочитать платформу Socket-939 платформе Socket-754 следует лишь в том случае, если стоимость двух систем будет незначительно (для вас лично) отличаться одна от другой. Если же вы работаете на компьютере профессионально, то выбирайте бы Socket-939.

Отличия процессоров Pentium и Celeron, Athlon и Duron.

Процессор Celeron является бюджетной (урезанной) версией соответствующего (более производительного, но и значительно более дорогого) main-stream процессора, на основе ядра которого он был создан. У процессоров Celeron в два или в четыре раза меньше кэш памяти второго уровня. Так же у них по сравнению с соответствующими «родителями» понижена частота системной шины. У процессоров Duron по сравнению с Athlon в 4 раза меньше кэш памяти и заниженная системная шина 200МHz (266MHz для Applebred), хотя существуют и «полноценные» Athlon c FSB 200MHz. В ближайшее время Duron’ы на ядре Morgan совсем пропадут из продажи — их производство уже достаточно давно свернуто. Их должны заменить Duron на ядре Applebred, являющие собой ни что иное, как урезанные по кэшу AthlonXP Thoroughbred. Так же уже появились урезанные по кэшу Barton’ы, ядро которых носит название Thorton. Есть задачи, в которых между обычными и урезанными процессорами почти нет разницы, а в некоторых случаях отставание довольно серьёзное. В среднем же, при сравнении с неурезанным процессором той же частоты, отставание это равно 10-30%. Зато урезанные процессоры имеют тенденцию лучше разгоняться из-за меньшего объёма кэш памяти и стоят при этом дешевле. Короче говоря, если разница в цене между нормальным и урезанным процессором значительная, то стоит брать урезанный. Хотя здесь необходимо отметить, что процессоры Celeron работают весьма плохо по сравнению с полноценными P4 — отставание в некоторых ситуациях достигает 50%. Это не касается процессоров Celeron D,в которых кэш второго уровня составляет 256 кбайт (128 кбайт в обычных Celeron) и отставание уже не такое страшное.