История развития микропроцессоров

Семинар 8. Педагогическая культура социального педагога

Вопросы:

1. Пути повышения педагогической культуры социального педагога.

2. Понятие и содержание проблемы профессиональной деформации личности специалиста социальной сферы.

Реферат:

Роль творчества в социально-педагогической деятельности.

Литература

1. Бочарова В.Г. Педагогика социальной работы.- М, 1994.

2. Грехнев В.С. Культура педагогического общения.- М: Просвещение, 1990.

3. Основы педагогического мастерства:Учеб. пос. / Под ред. И.А.Зязун.-М, Просвещение, 1989.

4. Подвойский В.П. Профессиональная деформация специалистов социа-ьной работы // Социальная работа.- 1997.- № 3.- с.42-58.

5. Профессиональная деформация руководителя.- М: Общество «Радетели просвещения», 1997.

Микропроцессор – это микросхема или совокупность микросхем (или кристаллов), выполняющая арифметические и логические операции над данными и осуществляющая программное управление вычислительным процессом (ЦП, или центральное процессорное устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, сокращенно — CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство)

Первый универсальный микропроцессор 4004 фирмы Intel появился в 1971 г. Он мог выполнять всего 45 команд, мог ввести данные, обработать их и вывести результаты. Длина слова этого микропроцессора составляла всего 4 бита, а адресное пространство ограничивалось 4,5 Кбит. Он был ориентирован на применение в калькуляторах. Микропроцессор содержал около 1000 транзисторов и выполнял 8000 операций в секунду.

Через несколько лет фирма Intel выпустила микропроцессор 8008 (аналог 4004) с длиной слова 8 бит и 8080 – достаточно мощный для создания небольшого компьютера. Микропроцессор i8080 может выполнять десятичные и 16-битные арифметические операции, вызывать подпрограммы и адресовать память до 64 Кбайт. Шина данных имеет разрядность 8, а шина адреса – 16 бит. В России аналогом такого процессора стал микропроцессор КР580ИК80.

В последующие 10 лет число транзисторов в микропроцессоре увеличилось в 70 раз, размер слова составил 16 бит, а быстродействие возросло в 100 раз. Хотя уже были достигнуты некоторые физические ограничения для кристаллов, рынок стимулировал аналогичное развитие и в 1980-е гг. появляется микропроцессор I80386.

Последующей эволюцией в развитии микропроцессоров стало появление первого процессора со встроенным математическим сопроцессором I80486 в 1989 г. и Pentium в 1993-м.

В 1995 г. был разработан процессор Pentium Pro (150 МГц, 512 Кб кэш), позиционирующийся как серверный. Он отличался от аналогов большим кэшем и архитектурой, частично заимствованной у процессоров с архитектурой RISC. В Pentium Pro Intel впервые включил технологию динамического исполнения (Dynamic Execution), т. е. инструкции могут исполняться не только последовательно, но и параллельно. Тем самым значительно повысилась эффективность процессора – количество команд, выполняемых за такт.

В 1998 г. был выпущен процессор Pentium II Xeon. Системы, основанные на этом процессоре, могли быть сконфигурированы из 4, 8 и более процессоров.

В конце февраля 1999 г. были анонсированы Pentium III. Изготовлены по технологическому процессу 0,25 мкм, ядро Katmai, добавлен набор инструкций SSE, размер L1 кэш – 32 Кб (16 + 16), L2 кэш – 512 Кб (работает на половине частоты ядра, расположен рядом с микросхемой процессора в картридже).

В конце ноября 2000 г. Intel представляет процессор Pentium 4 (кодовое название Willamette), архитектура NetBurst которого коренным образом отличается от своей предшественницы Р6. Основным отличием было увеличение конвейера до 20 стадий, что позволило сильно увеличить частоту процессора. Тактовая частота первых экземпляров составила 1.4 и 1.5 ГГц. Интересный факт: арифметико-логическое устройство данного процессора работает на частоте, в два раза превышающей частоту ядра! В новом процессоре также обновился блок инструкций SSE, дополнился еще 144 инструкциями и стал именоваться SSE2. Претерпел изменения и кэш первого уровня, его объем сократился до 8 Кб для данных, для хранения инструкций появился новый переработанный кэш (Trace Cache).

Дальнейшее развитие процессоров Intel было связано с переходом на 64-битную архитектуру – IA-64 (Intel Architecture-64 bit). Основной идеологией новых процессоров стала технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing – обработка команд с явным параллелизмом). Само собой, сходств между RISC и EPIC осталось предостаточно, однако EPIC технологически выглядит намного совершеннее и по праву может считаться полноценной эволюцией идеологии RISC. Параллельность выполнения команд, которая является одним из ключевых преимуществ IA-64, достигается благодаря тому, что команды теперь поступают группами по три штуки (так называемый пучок команд), причем мощный процессор способен за один цикл обработать сразу несколько подобных пучков. Внутри процессора выполнение команд распределяется между соответствующими функциональными блоками, многие из которых для обеспечения идеальной параллельности дублируют возможности друг друга (то есть присутствует несколько блоков для целочисленных вычислений, несколько для вычислений с плавающей точкой и т. д.). Первое воплощение архитектуры IA-64 появилось на свет в мае 2001 г., им стал процессор Itanium.

В настоящее время увеличение производительности процессоров, в основном, ведется за счет применения многоядерной архитектуры Multi-core Intel Processors. Одним из представителей такой архитектуры является линейка процессоров Intel Xeon Processor 5400, произведенных по 45-нанометровой технологии. На базе данных процессов возможно построение современных высокопроизводительных масштабируемых многопроцессорных систем.

2 Основные варианты архитектуры и структуры совре­менных микропроцессоров

Структура однокристального МП приведена на рисунке.

Доступные блоки МП (выделены на рисунке толстой рамкой):

1) регистр-аккумулятор;

2) счетчик команд;

3) блок регистров B, C, D, E;

4) регистр признаков.

Недоступные блоки МП:

1) регистр адреса;

2) схема управления;

3) арифметико-логическое устройство;

4) блок регистров временного хранения данных;

5) регистр команд.

Под регистром подразумевается специальное запоминающее устройство (ЗУ), состоящее из элементов (триггеров) с двумя устойчивыми состояниями. Число элементов 8 соответствует одному байту. Существуют 8-, 16-, 32-, 64- и т. д. разрядные регистры. Все регистры разбиты на группы и различаются функциональным назначением.

Основными блоками МП являются:

¾ блок регистров общего назначения (РОН) со схемой выборки регистров;

¾ регистр команд с дешифратором команд и формирователем машинных циклов;

¾ арифметико-логическое устройство с регистром-аккумулятором, выполняющим арифметические и логические операции;

¾ регистры временного хранения данных W и Z;

¾ флаговый регистр;

¾ устройство управления и синхронизации.

Регистры общего назначения используются для хранения данных и промежуточных результатов вычислений, выполняемых с помощью арифметико-логического устройства. Они позволяют адресоваться как ко всему регистру, так и к отдельным байтам или словам.

Аккумулятор – специальный регистр, как правило, одно- или двухбайтовый. При выполнении арифметических и логических операций служит источником одного из операндов и местом хранения результатов выполнения операций.

Регистр команд – регистр, в котором хранится код выполняемой команды. Этот регистр является недоступным регистром. Это означает, что не существует команды, которая могла бы изменить его содержимое. После выполнения очередной команды в регистр автоматически заносится код следующей команды из ячейки оперативной памяти, адрес которой находится в счетчике команд.

Счетчик команд – регистр (PC – Program Counter), хранящий адрес следующей команды, которая должна быть выполнена вслед за предыдущей. На содержимое регистра можно повлиять только с помощью команд, изменяющих последовательное выполнение программы (например, команд перехода или вызова подпрограмм).

Указатель стека – регистр (SP – Stack Pointer), хранящий адрес очередной ячейки стека. Стеком называется особым образом организованный участок памяти, выделяемый для временного хранения содержимого внутренних регистров МП, со специальным режимом доступа.

Флаговый регистр – регистр, в простейшем случае содержащий 5 двоичных разрядов, называемых флагами по числу хранимых в нем специальных признаков результатов некоторых операций. Иногда его называют регистром признаков, или регистром флагов. Значение флага указывает на результат выполнения операций. Например, в микропроцессоре I8080 флаговый регистр содержит 5 флагов:

S – знак (Sign); Z – нуль (Zero); AC – вспомогательный перенос (Auxiliary Carry); P – четность (Parity); C – перенос (Carry). Флаги всегда устанавливаются или сбрасываются автоматически после выполнения очередной команды, влияющей на флаги, в зависимости от результата операции. Флаг считается установленным, если флаговый разряд принимает значение 1, и сброшенным, если значение разряда 0. Состояние флагов используется в командах условного перехода. Результаты выполнения арифметических и логических операций над содержимым аккумулятора и регистров общего назначения или содержимым ячеек памяти оказывают влияние на флаги следующим образом.

Флаг нуля устанавливается в состояние 1, если после выполнения какой-либо команды получен нулевой результат, и сбрасывается в 0 в случае ненулевого результата.

Флаг переноса устанавливается в 1, если в результате операций сложения и сдвига появляется единица переноса из старшего разряда после выполнения операций вычитания или сравнения, в противном случае флаг сбрасывается в 0.

Флаг знака устанавливается в 1, если в результате выполнения операций появляется логическая единица в старшем разряде байта данных (указание на отрицательный результат), и сбрасывается в 0 в случае нулевого значения старшего разряда (указание на положительный результат).

Флаг четности устанавливается в 1, если после выполнения операций сумма единиц в байте данных, подсчитываемых с помощью операции сложения по модулю 2 (значение суммы по модулю 2 равно 0), и сбрасывается в 0 в противном случае (число единиц нечетное).

Флаг дополнительного переноса устанавливается в 1, если в результате выполнения команды появляется сигнал переноса из третьего разряда в четвертый в байте данных результата. Если такого переноса нет, то флаг дополнительного переноса сбрасывается в 0. Сигнал этого флага используется во многих схемах вычислений, однако он особенно необходим для сложения чисел в двоично-десятичной форме.

В развитии архитектур МП наблюдается два подхода. Первый из них относится к более ранним моделям процессоров и носит название МП с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой - процессоры с полным набором инструкций. К ним относится семейство процессоров 80 × 86. 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. Процессоры 80 × 86 имеют весьма сложную систему команд, что еще довольно терпимо при использовании ее в 8 - и 16 – разрядных МП. В начале 80-х годов архитектура CISC стала серьезным препятствием на пути реализации идеи «один процессор в одном кристалле», поскольку для работы с «традиционным» расширенным списком команд требуется очень сложное устройство центрального управления (обычно - микропрограммное), занимающее до 60% всей площади кристалла.

В процессорах семейства 80 × 86, начиная с i80486, применяется комбинированная архитектура - CISC-процессор имеет RISC-ядро. Архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer)— компьютер с сокращенным набором инструкций была впервые реализована в 1979 г. в миникомпьютере IBM801. В ней воплотились три основных принципа:

- ориентация системы на поддержку языка высокого уровня с помощью развитого компилятора;

- использование примитивного набора инструкций, который полностью реализуется аппаратными средствами;

- организация памяти и ввода—вывода, которая позволяет выполнять процессором большинство инструкций за один такт.

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC.

MISC-процессоры - Minimum instruction set computer — вычисления с минимальным набором команд. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

VLIW-процессоры - Very long instruction word — сверхдлинное командное слово. Архитектура процессоров с явно выраженным параллелизмом вычислений, заложенным в систему команд процессора. Являются основой для архитектуры EPIC. Ключевым отличием от суперскалярных CISC-процессоров является то, что для них загрузкой исполнительных устройств занимается часть процессора (планировщик), на что отводится достаточно малое время, в то время как загрузкой вычислительных устройств для VLIW-процессора занимается компилятор, на что отводится существенно больше времени (качество загрузки и, соответственно, производительность теоретически должны быть выше). Примером VLIW-процессора является Intel Itanium.

Самостоятельная работа: Микропроцессоры нетрадиционных архитектур: ассоциативные процессоры; матричные процессоры; ДНК процессоры; клеточные процессоры; коммуникационные процессоры; процессоры баз данных; потоковые процессоры; процессоры с многозначной (нечеткой) логикой; сигнальные процессоры.

3 Классификация и области примене­ния современных МП

Микропроцессор (МП) - это программно управляемая сверхбольшая интегральная схема (СБИС), предназначенная для обработки цифровой информации. Наибольший эффект от внедрения МП достигается в устройствах и системах локальной автоматики, системах измерения, контроля и других областях. Сравнительно низкая стоимость, малые габариты и потребляемая мощность, высокая надежность и исключительная гибкость обеспечивают приоритет МП перед другими средствами обработки данных. МП является удобным средством для построения контроллеров, предназначенных для контроля и управления технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства.

Классификация МП

1. По назначению:

1.1.Универсальные предназначены для выполнения функций управления и вычисления;

1.2.Специализированные выполняют только узкоспециализированные функции вычисления или управления (вычисление сложных алгебраических функций или управление конкретным устройством – станком, автомобилем и т. д.).

2. По виду обрабатываемой информации:

2.1.Цифровые работают с бинарными (2-уровневыми) сигналами, обозначающими логический нуль и единицу. Обычно имеет смысл ссылка на тип цифрового сигнала: ТТЛ, ЭСЛ или КМОП-уровень;

2.2.Аналоговые работают с аналоговыми (непрерывными) уровнями сигналов. В случае аналогового сигнала имеют смысл предельные значения входного напряжения или тока.

3. По разрядности данных:

3.1.фиксированные, в случае фиксированной разрядности указывается конкретное значение длины информации (бит, байт, слово и т. д.);

3.2.переменные, в случае переменной разрядности указывается значение кванта, на который возможно наращивание разрядности (2, 4 или 8 бит).

4. По тактовой частоте:

4.1.статические имеют нижний предел тактовой частоты равный нулю, т.е. при отсутствии тактовой частоты МП перейдет в состояние «Ожидание», по ее появлении продолжит свою работу;

4.2.динамические имеют нижний предел тактовой частоты не равный 0, т.е. при снижении частоты синхронизации ниже придельного уровня МП перестает нормально функционировать.

5. По виду синхронизации:

5.1.синхронные;

5.2.асинхронные.

6. По компоновке:

6.1.однокристальные;

6.2.многокристальные;

6.3.многокристальные секционные.

7. По числу управляющих магистралей

7.1 совмещенные;

7.2.раздельные.

8. По системе команд:

8.1.фиксированная;

8.2.переменная.

Технические характеристики МП

Главными характеристиками МП являются:

1) тактовая частота определяет максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ. Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц;

2) разрядность процессора — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени и тем больше производительность компьютера. Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает:

m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.

Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20.

3) производительность и энергопотребление - наиболее производительные модели требуют до 130 и более ватт. Способы увеличения производительности:

· совершенствование технологии производства для уменьшения потребления;

· поиск новых материалов для снижения токов утечки;

· понижение напряжения питания ядра процессора;

· появление сокетов (разъемов для процессоров) с большим числом контактов (более 1000). Так у процессоров для популярного сокета LGA775 число контактов основного питания составляет 464 штуки (около 60 % от общего количества);

· изменение компоновки процессоров. Кристалл процессора переместился с внутренней на внешнюю сторону, для лучшего отвода тепла к радиатору системы охлаждения;

· интеграция в кристалл температурных датчиков и системы защиты от перегрева, снижающей частоту процессора или вообще останавливающей его при недопустимом увеличении температуры;

· появление в новейших процессорах интеллектуальных систем, динамически меняющих напряжение питания, частоту отдельных блоков и ядер процессора, и отключающих не используемые блоки и ядра;

· появление энергосберегающих режимов для «засыпания» процессора, при низкой нагрузке.

4 ) нормы литографического процесса используемого при производстве (технология изготовления полупроводниковых приборов, интегральных микросхем). При литографии на подложку будущего микропроцессора (тонкий круг из монокристаллического кремния, либо сапфира) через специальные маски, содержащие прорези, поочерёдно наносятся слои проводников, изоляторов и полупроводников. Соответствующие вещества испаряются в вакууме и осаждаются сквозь отверстия маски на кристалле процессора. Иногда используется травление, когда агрессивная жидкость разъедает не защищённые маской участки кристалла. Одновременно на подложке формируется порядка сотни процессорных кристаллов. В результате появляется сложная многослойная структура, содержащая от сотен тысяч до миллиардов транзисторов. В зависимости от подключения транзистор работает в микросхеме как транзистор, резистор, диод или конденсатор. После окончания процедуры литографии подложка распиливается на элементарные кристаллы. К сформированным на них контактным площадкам (из золота) припаиваются тонкие золотые проводники, являющиеся переходниками к контактным площадкам корпуса микросхемы. Далее крепится теплоотвод кристалла и крышка микросхемы.

5) архитектура - система команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM. Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования, используемые в процессорах компании Intel.

По данным компании IDC, по итогам 2009 г на рынке микропроцессоров для настольных ПК, ноутбуков и серверов доля корпорации Intel составила 79,7 %, доля AMD — 20,1 %.

Pentium 4 — одноядерные, двухъядерные процессоры Pentium D, некоторые процессоры Xeon, предназначенные для серверов, часть процессоров Celeron представляет собой Pentium 4 с частично отключённым КЭШем второго уровня.

Производство: с 2000 по 2008 год

Частота ЦП: 1300—3800 МГц

Частота FSB: 400—1066 МГц

Технология производства: КМОП, 65 нм

Наборы инструкций: IA-32, MMX, SSE, SSE2, SSE3, EM64T

Разъёмы: Socket 423; Socket 478; Socket 775

Ядра: Willamette; Northwood; Gallatin; Prescott; Cedar Mill.

Core i7 Производство: 10 ноября 2008 года

Частота ЦП: 2,66—3,46 GHz

Технология производства: 45—32 нм

Наборы инструкций: x86, x86-64, MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2, AES-NI

Число ядер: 2, 4 или 6

Разъёмы: Socket B (LGA 1366); Socket H (LGA 1156); Socket H2 (LGA 1155); µPGA-988; BGA-1288

Ядра: Bloomfield; Lynnfield; Gulftown; Clarksfield; Clarksfield XM; Arrandale.

AMD Phenom Производство: 2007

Производитель: GlobalFoundries

Частота ЦП: 1.8—3.3 ГГц

Технология производства: 65—45 нм

Наборы инструкций: MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4a, x86-64.

Число ядер: 2 - 6

Разъём: Socket AM2+, Socket AM3

Процессоры IBM (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple.

Микропроцессорные системы (МПС)

Дата добавления: 2014-01-06