Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

ПРИЗНАЧЕННЯ ТА ОСНОВНІ ФУНКЦІЇ ПРОЦЕСОРА

ВСТУП

Процесор (або центральний процесор, ЦП) - це транзисторна мікросхема, яка є головним обчислювальним та керуючим елементом комп'ютера.

Англійська назва процесора - CPU (Central Processing Unit).

Процесор являє собою спеціально вирощений напівпровідниковий кристал, на якому розташовуються транзистори, сполучені напиленим алюмінієвими провідниками. Кристал поміщається в керамічний корпус з контактами.

У першому процесорі компанії Intel - i4004, випущеному в 1971 році, на одному кристалі було 2300 транзисторів, а в процесорі Intel Pentium 4, випущеному 14 квітня 2003, їх вже 55 мільйонів.

Сучасні процесори виготовляються по 0,13-мікронної технології, тобто товщина кристала процесора складає 0,13 мікрон. Для порівняння - товщина кристала першого процесора Intel була 10 мікрон.

У нашій роботі ми ставимо за мету розглянути призначення, основні функції процесора, його основні особливості, а також описати структуру та функціонування мікропроцесорів.

 

Центральний процесор (ЦП, англ. Central processing unit, CPU, дослівно - центральне обчислювальне пристрій) - виконавець машинних інструкцій, частина апаратного забезпечення комп'ютера або програмованого логічного контролера, який відповідає за виконання операцій, заданих програмами.

Сучасні ЦП, що виконуються у вигляді окремих мікросхем (чіпів), що реалізують всі особливості, притаманні даного роду пристроїв, називають мікропроцесорами. З середини 1980-х останні практично витіснили інші види ЦП, внаслідок чого термін став все частіше і частіше сприйматися як звичайний синонім слова «мікропроцесор». Тим не менш, це не так: центральні процесорні пристрої деяких суперкомп'ютерів навіть сьогодні представляють собою складні комплекси великих (ВІС) і надвеликих інтегральних схем (НВІС).

Спочатку термін «Центральне процесорний пристрій» описував спеціалізований клас логічних машин, призначених для виконання складних комп'ютерних програм. Внаслідок досить точної відповідності цього призначення функцій існували в той час комп'ютерних процесорів, він природним чином був перенесений на самі комп'ютери. Початок застосування терміна і його абревіатури по відношенню до комп'ютерних систем було покладено в 1960-і роки. Пристрій, архітектура і реалізація процесорів з тих пір неодноразово змінювалися, однак їх основні виконувані функції залишилися тими ж, що й колись.

Ранні ЦП створювалися у вигляді унікальних складових частин для унікальних, і навіть єдиних у своєму роді, комп'ютерних систем. Пізніше від дорогого способу розробки процесорів, призначених для виконання однієї єдиної або кількох вузькоспеціалізованих програм, виробники комп'ютерів перейшли до серійного виготовлення типових класів багатоцільових процесорних пристроїв. Тенденція до стандартизації комп'ютерних комплектуючих зародилася в епоху бурхливого розвитку напівпровідникових елементів, мейнфреймів і мінікомп'ютерів, а з появою інтегральних схем вона стала ще більш популярною. Створення мікросхем дозволило ще більше збільшити складність ЦП з одночасним зменшенням їх фізичних розмірів. Стандартизація і мініатюризація процесорів привели до глибокого проникнення заснованих на них цифрових пристроїв в повсякденне життя людини. Сучасні процесори можна знайти не тільки в таких високотехнологічних пристроях, як комп'ютери, але і в автомобілях, калькуляторах, мобільних телефонах і навіть у дитячих іграшках. Найчастіше вони представлені мікроконтролера, де крім обчислювального пристрою на кристалі розташовані додаткові компоненти (пам'ять програм і даних, інтерфейси, порти вводу / виводу, таймери, та ін.) Сучасні обчислювальні можливості мікроконтролера порівнянні з процесорами персональних ЕОМ десятирічної давності, а частіше навіть значно перевершують їх показники.



Більшість сучасних процесорів для персональних комп'ютерів, загалом, засновані на тій чи іншій версії циклічного процесу послідовної обробки інформації, винайденого Джоном фон Нейманом.

Д. фон Нейман придумав схему побудови комп'ютера в 1946 році [6, c. 115]. Найважливіші етапи цього процесу наведені нижче. У різних архітектурах і для різних команд можуть знадобитися додаткові етапи. Наприклад, для арифметичних команд можуть знадобитися додаткові звернення до пам'яті, під час яких проводиться зчитування операндів і запис результатів. Відмінною особливістю архітектури фон Неймана є те, що інструкції і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті.

Етапи циклу виконання:

Процесор виставляє число, яке зберігається в регістрі лічильника команд, на шину адреси, і віддає пам'яті команду читання;

Виставлене число є для пам'яті адресою; пам'ять, одержавши адресу і команду читання, виставляє вміст, що зберігається за цією адресою, на шину даних, і повідомляє про готовність;

Процесор отримує число з шини даних, інтерпретує його як команду (машинну інструкцію) зі своєї системи команд і виконує її;

Якщо остання команда не є командою переходу, процесор збільшує на одиницю (у припущенні, що довжина кожної команди дорівнює одиниці) число, що зберігається в лічильнику команд; в результаті там утворюється адреса наступної команди;

Знову виконується п. 1.

Даний цикл виконується незмінно, і саме він називається процесом (звідки і пішла назва пристрою).

Під час процесу процесор зчитує послідовність команд, що містяться в пам'яті, і виконує їх. Така послідовність команд називається програмою і представляє алгоритм роботи процесора. Черговість зчитування команд змінюється у разі, якщо процесор зчитує команду переходу - тоді адреса наступної команди може виявитися іншим. Іншим прикладом зміни процесу може служити випадок отримання команди зупинки чи перемикання в режим обробки переривання.

Команди центрального процесора є самим нижнім рівнем управління комп'ютером, тому виконання кожної команди неминуче і безумовно. Не проводиться ніякої перевірки на допустимість виконуваних дій, зокрема, не перевіряється можлива втрата цінних даних. Щоб комп'ютер виконував тільки допустимі дії, команди повинні бути відповідним чином організовані у вигляді необхідної програми.

Швидкість переходу від одного етапу циклу до іншого визначається тактовим генератором. Тактовий генератор виробляє імпульси, службовці ритмом для центрального процесора. Частота тактових імпульсів називається тактовою частотою.

Розглянемо конвеєрну архітектуру процесора. Конвеєрна архітектура (pipelining) була введена в центральний процесор з метою підвищення швидкодії. Звичайно для виконання кожної команди потрібно здійснити деяку кількість однотипних операцій, наприклад: вибірка команди з ОЗУ, дешифрування команди, адресація операнда в ОЗУ, вибірка операнда з ОЗУ, виконання команди, запис результату в ОЗУ. Кожну з цих операцій зіставляють одному щаблі конвеєра. Наприклад, конвеєр мікропроцесора з архітектурою MIPS-I містить чотири стадії:

· отримання і декодування інструкції (Fetch)

· адресація і вибірка операнда з ОЗУ (Memory access)

· виконання арифметичних операцій (Arithmetic Operation)

· збереження результату операції (Store)

Після звільнення k-ї ступені конвеєра вона відразу приступає до роботи над наступною командою. Якщо припустити, що кожен ступінь конвеєра витрачає одиницю часу на свою роботу, то виконання команди на конвеєрі завдовжки в n ступенів займе n одиниць часу, однак у самому оптимістичному випадку результат виконання кожної наступної команди буде виходити через кожну одиницю часу.

Дійсно, при відсутності конвеєра виконання команди займе n одиниць часу (так як для виконання команди як і раніше необхідно виконувати вибірку, дешифрацию і т. д.), і для виконання m команд знадобиться одиниць часу; при використанні конвеєра (у самому оптимістичному випадку) для виконання m команд знадобиться всього лише n + m одиниць часу.

Фактори, що знижують ефективність конвеєра:

· простий конвеєра, коли деякі щаблі не використовуються (напр., адресація і вибірка операнда з ОЗУ не потрібні, якщо команда працює з регістрами);

· очікування: якщо наступна команда використовує результат попередньої, то остання не може почати виконуватися до виконання першої (це долається при використанні позачергового виконання команд, out-of-order execution);

· очищення конвеєра при попаданні в нього команди переходу (цю проблему вдається згладити, використовуючи пророкування переходів).

Деякі сучасні процесори мають більше 30 ступенів в конвеєрі, що збільшує продуктивність процесора, однак приводить до великого часу простою (наприклад, у разі помилки в прогнозі умовного переходу.)

Першим загальнодоступним мікропроцесором був 4-розрядний Intel 4004. Його змінили 8-розрядний Intel 8080 і 16-розрядний 8086, що заклали основи архітектури всіх сучасних настільних процесорів. Але із-за поширеності 8-розрядних модулів пам'яті був випущений 8088, клон 8086 з 8-розрядною шиною пам'яті. Потім пройшла його модифікація 80186. У процесорі 80286 з'явився захищений режим з 24-бітної адресацією, що дозволяв використовувати до 16 Мб пам'яті. Процесор Intel 80386 з'явився в 1985 році і привніс покращуваний захищений режим, 32-бітову адресацію, що дозволила використовувати до 4 Гб оперативної пам'яті і підтримку механізму віртуальної пам'яті. Ця лінійка процесорів побудована на реєстрової обчислювальної моделі.

Паралельно розвиваються мікропроцесори, які взяли за основу стекову обчислювальну модель.

Розглянемо технологію виготовлення процесорів.

У сучасних комп'ютерах процесори виконані у вигляді компактного модуля (розмірами близько 5 × 5 × 0,3 см) вставляються в ZIF-сокет. Велика частина сучасних процесорів реалізована у вигляді одного напівпровідникового кристала, що містить мільйони, а з недавнього часу навіть мільярди транзисторів. У перших комп'ютерах процесори були громіздкими агрегатами, які займали часом цілі шафи і навіть кімнати, і були виконані на великій кількості окремих компонентів.

На початку 1970-х років завдяки прориву в технології створення ВІС і НВІС (великих і надвеликих інтегральних схем, відповідно), мікросхем, стало можливим розмістити всі необхідні компоненти ЦП в одному напівпровідниковому пристрої. З'явилися так звані мікропроцесори. Зараз слова мікропроцесор і процесор практично стали синонімами, але тоді це було не так, тому що звичайні (великі) і мікропроцесорні ЕОМ мирно співіснували ще, принаймні, 10-15 років, і лише на початку 1980-х років мікропроцесори витіснили своїх старших побратимів. Треба сказати, що перехід до микропроцессорам дозволив потім створити персональні комп'ютери, які тепер проникли майже в кожен будинок [1, c. 88].

Перший мікропроцесор Intel 4004 був представлений 15 листопада 1971 корпорацією Intel. Він містив 2300 транзисторів, працював на тактовій частоті 740 кГц і коштував 300 дол

За роки існування технології мікропроцесорів було розроблено безліч різних їх архітектур. Багато хто з них (у доповненому і вдосконаленому вигляді) вживаються й тепер. Наприклад, Intel x86, що розвинулася спочатку в 32-бітну IA-32, а пізніше в 64-бітну x86-64 (яка в Intel називається EM64T). Процесори архітектури x86 спочатку використовувалися лише в персональних комп'ютерах компанії IBM (IBM PC), але в даний час все більш активно використовуються у всіх областях комп'ютерної індустрії, від суперкомп'ютерів до вбудовуваних рішень. Також можна перерахувати такі архітектури як Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC - архітектури) і IA-64 (EPIC-архітектура).

Більшість процесорів використовуються в даний час є Intel-сумісними, тобто мають набір інструкцій тощо, як процесори компанії Intel.

Найбільш популярні процесори сьогодні виробляють фірми Intel, AMD і IBM. Серед процесорів від Intel: 8086, i286 (в комп'ютерному сленгу називається «двійка», «двушка»), i386 («трійка», «трійка»), i486 («четвірка»), Pentium («пень», «пеньок», «другий пень», «третій пень» і т. д. Спостерігається також повернення назв: Pentium III називають «трійкою», Pentium 4 - «четвіркою»), Pentium II, Pentium III, Celeron (спрощений варіант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (серія процесорів для серверів), Itanium, Atom (серія процесорів для вбудованої техніки) і ін AMD має в своїй лінійці процесори архітектури x86 (аналоги 80386 і 80486, сімейство K6 і сімейство K7 - Athlon, Duron, Sempron) і x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron та ін.)

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
| ПРИЗНАЧЕННЯ ТА ОСНОВНІ ФУНКЦІЇ ПРОЦЕСОРА

Дата добавления: 2014-01-05; Просмотров: 778; Нарушение авторских прав?;


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Читайте также:

  1. АЛГОРИТМ ПРИЗНАЧЕННЯ НЕВІДКЛАДНОЇ КОНТРАЦЕПЦІЇ
  2. Будова і основні функції нейронів і нервів. Загальні поняття про подразливість, збудливість, провідність, біоелектричні явища
  3. Будова та функції нейрогліальної тканини
  4. Види і функції логістичних посередників у збутовій логістиці
  5. Визначення добутку на множині цілих невід’ємних чисел, його існування та єдиність. Операція множення та її основні властивості (закони).
  6. Визначення суми на множині цілих невід’ємних чисел, її існування та єдиність. Операція додавання та її основні властивості (закони).
  7. Військові запаси матеріальних засобів, їх призначення, розміри, ешелонування та джерела поповнення
  8. Власне лінгвістичний (функціональний) аспект вивчення звукових одиниць. Фонологія. Основні поняття
  9. Власний капітал, його функції та складові
  10. ГЛОБАЛЬНА МЕРЕЖА ІНТЕРНЕТ. ОСНОВНІ ПОСЛУГИ ГЛОБАЛЬНОЇ МЕРЕЖІ
  11. Господарський механізмвиконує наступніосновні функції.
  12. Грошова система, її структурні елементи й основні типи




studopedia.su - Студопедия (2013 - 2017) год. Не является автором материалов, а предоставляет студентам возможность бесплатного обучения и использования! Последнее добавление ‚аш ip: 54.224.137.45
Генерация страницы за: 0.095 сек.