Модели и структура процессора

 

Федеральное казённое профессиональное образовательное учреждение

Кинешемский технологический техникум-интернат

Министерства труда и социальной защиты

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Архитектура компьютерных систем»

на тему: «Модели и структура процессора»

Выполнил:

студент II курса, 9 гр.

Карцев Тимур

Проверил преподаватель

Тумина И.Б

Кинешма 2015

Содержание

Определение процессора

История создания процессора

Структура процессора

Модели процессора

Список литературы

Определение процессора

Центра?льный проце?ссор (ЦП; также центральное процессорное устройство - ЦПУ; англ. central processing unit,CPU, дословно - центральное обрабатывающее устройство) - электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором. Процессор осуществляет управление взаимодействием всех устройств ЭВМ. (при наличии специальных процессоров эти функции рассредотачиваются).

История создания процессора

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы - элементарные регистры, счётчики,сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора - микропрограммное устройство, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора - микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора.

Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё, по крайней мере, 10-15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц и стоил 300 долл.Далее его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешевый 8088, упрощенная версия 8086, с 8-разрядной шиной данных.

Затем проследовала его модификация, 80186.В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.

Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели. Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T). Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры, как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC,MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию - LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём - socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

Структура центрального процессора

Функционально центральный процессор можно разделить на две части:

·операционную, содержащую арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) - регистры общего назначения;

·интерфейсную, содержащую адресные регистры, устройство управления, регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и портами.

Обе части ЦП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) происходит во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Такая организация ЦП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.

Устройство управления (УУ) вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций в другие блоки вычислительной машины. УУ формирует управляющие сигналы для выполнения команд центрального процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Системная шина - набор проводников, по которым передаются сигналы, соединяющая процессор с другими компонентами на системной плате. Системная шина состоит из шины данных, шины адреса, шины управления.

·Шина данных - служит для пересылки данных между процессором и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ).

·Шина адреса - используется для передачи сигналов, с помощью которых определяется местоположение ячейки памяти для выполняемых процессором операций чтения/записи и ввода-вывода.

·Шина управления - служит для пересылки управляющих сигналов. Каждая линия этой шины имеет своё особое назначение, поэтому они могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными.

Модели процессора

центральный процессор команда регистр

Сложилось так, что процессорный рынок уверенно завоевали две компании: Intel и AMD. Именно эти две компании ведут постоянную борьбу за клиента и остро соперничают между собой, перехватывая время от времени инициативу друг у друга. Ниже представлены обозначения популярных моделей процессоров этих фирм на момент написания данной статьи (июнь 2010 года):

·Процессоры AMD

·Socket AM3 AMD Sempron™ LE-140 BOX 2700 Model Number 140, Frequency 2.7GHz, L2 Cache 1024KB, Thermal Design Power 45W, Process Technology 45 nanometer SOI technology

·Socket AM3 AMD Athlon II X2 240 2800 OEM без вентилятора Model Number 215, Frequency 2.8, CMOS Technology 45nm SOI, Total Dedicated L2 Cache 1024MB, Packaging socket AM3, Thermal Design Power 65W

·Socket AM3 AMD Athlon II X3 435 2900 BOX Frequency 2.9, CMOS Technology 45nm SOI, Total Dedicated L2 Cache 1.5MB, Packaging socket AM3, Thermal Design Power 95W

·Socket AM3 AMD Phenom II X4 945 3000 BOX Frequency 3.0 GHz, Total L2 Cache 2MB, L3 Cache 4MB, Packaging socket AM3, Thermal Design Power 95W, CMOS Technology 45nm SOI

·Socket AM3 AMD Phenom II X6 1055T 2800 Black Edition BOX 2.8GHz, 125W, 3MB total dedicated L2 cache, 6MB L3 cache, socket AM3

·Процессоры Intel

·Intel Celeron® Dual - Core E3200 2400 1024kb cache ОЕМ без вентилятора S775 Bus Speed 800 MHz EM64T

·Intel® Pentium Dual - Core™ E5300 (Socket 775) 2600 2048kb cache BOX с вентилятором 800 MHz bus Hyper-Threading Technology ! EM64T

·Intel® Core™Intel Pentium G6950(Socket 1156) 2800 BOX 512 Kb / 3072Kb , ClarkDale, 73W, S1156, Cooling Fan

·Intel® Core™Core i3 540(Socket 1156) 3067 BOX 1024 Kb / 4096Kb , ClarkDale, 73W, S1156, Cooling Fan

·Intel® Core™Core i5 750(Socket 1156) 2660 BOX 1024 Kb / 8192Kb , Lynnfield, 95W, S1156, Cooling Fan

Теперь рассмотрим основные параметры процессора:

Марка процессора и номер модели

Все довольно просто. Марка процессора, как правило, указывается в самом начале, при этом пишется фирма-изготовитель и собственно сама марка процессора:

·AMD Sempron

·AMD Athlon II

·AMD Phenom II

·Intel Celeron® Dual

·Intel® Core™Intel Pentium

·Intel® Core™Core

В рамках одного модельного ряда может быть несколько моделей, отличающихся номером, например: Intel® Core™Core i3 и Intel® Core™Core i5.

Наиболее важным параметром процессора является его частота. При этом следует учитывать довольно любопытный нюанс: если фирма Intel указывает действительные значения частот для своих процессоров, то фирма AMD - некое теоретическое значение частоты, которую бы имел процессорIntel с такой же производительностью. Это связано с тем, что процессоры AMD обладают несколько меньшей действительной частотой, но большей производительностью.

Форм-фактор

Различные модели процессоров могут иметь некоторые контсруктивные отличия, к тому же, питающие напряжения могут у разных процессоров быть разными. Все это называется форм-фактором. Конечно же, под разные процессоры изготавливаются "свои" материнские платы, подходящие только для процессоров с аналогичным форм-фактором.

Частота шины

Для обмена данными между различными составляющими компьютера и процессором используется шина FSB (Front Side Bus). У процессоров AMD Athlon 64 - используется шина HT (Hyper Transport). За один такт шины передается несколько пакетов данных, и в параметрах процессора его частота указыватеся с учетом такого умножения скорости. Так процессор Pentium 4 с частотой шины 800 МГц на самом деле работает на частоте FSB 200 МГц, т.к. за один такт передается 4 пакета данных.

Множитель

Частота на которой работает процессор компьютера определяется произведением частоты шины FSB на некоторый множитель, который, как правило, нельзя изменять. Этот множитель задается автоматически, в зависимости от материнской платы. Однако, системные платы, которые позволяют делать "разгон" компьютера, разрешают делать изменение множителя, тем самым увеличивая скорость работы процессора в ущерб его надежности и долговечности работы.

Напряжение ядра

Разные модели процессоров для своей нормальной работы требуют разные напряжения питания, которые можно увеличивать при разгоне компьютера.

Степпинг

Степпингами называют модификации одного и того же ядра процессора, которые производятся с целью улучшения рабочих характеристик процессора.

Кэш-память

Цифровые технологии таковы, что скорость работы процессора в несколько раз превышает скорость работы памяти. Поскольку этот тандем всегда работает в паре, то, фактически скорость работы компьютера определяется скоростью работы памяти. Получается, что процессор бОльшую часть времени просто простаивает без дела в ожидании пока память обработает очередную порцию данных. Чтобы "разрулить" ситуацию придумали, так называемую, кэш-память, которая встраивается непосредственно в микросхему процессора и работает на скоростях соизмеримыми со скоростью работы процессора.

Кэш-память очень дорогое "удовольствие" - ее стоимость составляет половину стоимости процессора, но она позволяет значительно поднять производительность системы процессор-память, в результате чего, значительно возрастает общая скорость работы компьютера.

Из-за своей дороговизны размер кэш-памяти относительно небольшой и измеряется килобайтами, но этого оказывается вполне достаточно, т.к. в кэш-память помещаются только наиболее часто используемые в данный момент данные.

Практичечески все процессоры имеют двухуровневую кэш-память - L1 (кэш-память первого уровня), L2 (кэш-память второго уровня).

Кэш-память первого уровня наиболее быстрая память, ее размер составляет 16..128 Кб.

Кэш-память первого уровня бывает единой (принстонская архитектура) и разделенной на две части (гарвардская архитектура):

1.L1 data cashe - первичный кэш данных, в котором хранятся данные, к которым недавно обращался процессор;

2.L1 instruction cashe - первичный кэш инструкций, в котором хранятся инструкции, которые процессор недавно выполнял или будет выполянть в ближайшее время.

Кэш-память второго уровня работает значительно медленне, чем кэш-память первого уровня, но имеет гораздо больший объем - 128 Кб .. 6 Мб.

Кэш-память второго уровня может быть эксклюзивной (не могут храниться данные, содержащиеся в L1), либоинклюзивной (хранится копия L1).

Довольно редко, но встречается еще и кэш-память третьего уровня - L3.

Список литературы

<http://on-line-teaching.com/bios/15_CPU.html>

<http://ru.wikipedia.org/>

<http://prog-cpp.ru/asm-cpu/>

<http://sites.google.com/site/gosyvmkss12/organizacia-evm-i-sistem/03-naznacenie-i-struktura-processora-naznacenie-i-vzaimodejstvie-osnovnyh-blokov-klassifikacia-processorov>

Федеральное казённое профессиональное образовательное учреждение Кинешемский технологический техникум-интернат Министерства труда и социальной защиты

Больше работ по теме: