Микропроцессор предназначен для управления работой компьютера и обработки данных

Микропроцессор предназначен для управления работой компьютера и обработки данных

Процессор

Одним из важнейших устройств компьютера является центральный процессор (CPU — англ. central processing unit, что переводится как «центральное вычислительное устройство»). Именно от типа процессора и его характеристик в первую очередь зависит производительность компьютерной системы в целом.

Процессор (Микропроцессор) — это центральное устройство компьютера, предназначенное для обработки данных и управления работой других устройств.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM. Большинство процессоров являются Intel-совместимыми.

Эволюция микропроцессоров

Фирма Intel со времени выпуска самого первого процессора и по сей день является одним из ведущих разработчиков микропроцессоров. Чуть позже конкуренцию Intel составила фирма AMD. В настоящее время Intel и AMD являются ведущими производителями процессоров для персональных компьютеров. Некоторое время конкуренцию им составляли также фирмы Apple Computer, IBM и Motorola, разработавшие процессор Power PC.

Важным этапом в развитии микропроцессорной техники стал процессор i80486. Он был выпущен в 1989 году. Первое новшество заключалось в том, что впервые в центральный процессор стал интегрироваться математический сопроцессор, предназначенный для выполнения арифметических вычислений с плавающей запятой. Кроме того, в этом процессоре была реализован конвейер, применяемый ранее в суперЭВМ.

В марте 1993 года был выпущен процессор Pentium, в котором впервые появляется предсказание переходов. Суть предсказания переходов заключается в том, что при выполнении команды условного перехода (например, при выполнении команды ветвления) специальный блок микропроцессора определяет наиболее вероятное направление перехода, не дожидаясь окончания анализа условия. Процессор начинает выбирать из памяти и выполнять команды по предсказанной ветви программы.

В конце 1993 года фирмы Apple Computer, IBM и Motorola совместно разработали микропроцессор Power PC. В 1994 году он стал использоваться в компьютерах Macintosh. В этом процессоре была реализована суперскалярная обработка, позволяющая выполнять в каждом такте 3 команды. Это стало возможным благодаря использованию архитектуры команд RISC (сокращенный набор команд постоянной длины). Все команды архитектуры RISC имеют одинаковую длину (что облегчает их выборку из памяти) и выполняются процессором за один такт. Все предыдущие процессоры либо использовали сложный набор команд CISC (расширенный набор команд переменной длины), либо относились к разряду CISC-процессоров с RISC-ядром. Процессорам, использующим архитектуру CISC, приходилось тратить дополнительное время на декодирование команд, так как их длина могла меняться от 8 до 108 битов.

Важным преимуществом процессоров PowerPC (начиная с моделей 603 и 604) была пониженная потребляемая мощность. В целях энергосбережения любой незагруженный исполнительный блок отключался, а при необходимости автоматически включался.

Однако в начале 2000-х годов развитие платформы PowerPC зашло в тупик. Создание новой архитектуры потребовало бы огромного количества времени и средств, поэтому в 2006 году фирма Apple решила перевести компьютеры Macintosh на процессоры Intel.

В марте 2000 года фирма AMD выпустила первый процессор с тактовой частотой, превышающей 1 ГГц, который назывался Athlon К7. Это позволило значительно укрепить позиции фирмы на рынке микропроцессорной техники.

В сентябре 2003 года AMD представила первые 64-разрядные процессоры для персональных компьютеров (Athlon 64).

Самым значимым событием 2005 года в области микропроцессоров стало появление в продаже CPU (центрального процессора) с двумя ядрами. Ядро представляет собой часть микропроцессора, содержащую его основные функциональные блоки и осуществляющую выполнение одного потока команд. О причинах перехода к многоядерным процессорам будет сказано в следующем параграфе. Первыми двухъядерными процессорами стали процессоры Pentium D фирмы Intel и Athlon64 Х2 фирмы AMD. Одними из наиболее революционных многоядерных процессоров стали процессоры линейки Core 2 Duo фирмы Intel.

В настоящее время основу рынка микропроцессоров составляют многоядерные процессоры, использующие в своем составе от 2 до 8 ядер, к каковым относятся процессоры Intel Core 2 Quad, Phenom ХЗ и Х4 (фирмы AMD) и другие.

Состав микропроцессора

Современные центральные процессоры для персональных компьютеров выполняются в виде отдельных микросхем и называются микропроцессорами. В дальнейшем будем считать понятия «микропроцессор» и «процессор» равнозначными.

Схема состава микропроцессора

Основным элементом микропроцессора является ядро, от которого зависит большинство характеристик самого процессора. Ядро представляет собой часть микропроцессора, содержащую его основные функциональные блоки и осуществляющую выполнение одного потока команд.

1. АЛУ (Арифметико-логическое устройство)

АЛУ (ALU, Arithmetic and Logic Unit) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

Функционально АЛУ состоит из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).

Сумматор — это вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов.

Регистры — это быстродействующие ячейки памяти различной длины. При выполнении операций в регистр № 1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции — результат. В регистр № 2 — второе число, участвующее в операции (по завершению операции информация в нем не изменяется).

Схемы управления принимают от шины управления сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.

2. УУ (Устройство управления)

УУ (MU, Management Unit):

• формирует и подает на все устройства ПК в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы);
• формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие устройства.

Опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.

Принцип работы УУ

УУ является функционально наиболее сложным устройством ПК — оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по шине управления во все блоки машины.

Регистр команд — это запоминающий регистр, в котором хранится код операции (КОП) и адреса операндов, участвующих в операции.

Дешифратор операций — это логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК процедур обработки информации.

Узел формирования адреса — это устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров микропроцессорной памяти.

3. МПП (Микропроцессорная память)

Кэш-память (кэш) — сверхбыстрая память, хранящая содержимое наиболее часто используемых ячеек оперативной памяти, а также части программы, к которым процессор обратится с наибольшей долей вероятности. Процессор в первую очередь пытается найти нужные данные именно в кэш-памяти, а если их там не оказывается, обращается к более медленной оперативной памяти. Кэш-память делится на два или три уровня, которые обозначаются LI, L2 и L3 (чаще всего уровней два).

4. Сопроцессор — элемент процессора, выполняющий действия над числами с плавающей запятой.

Характеристики микропроцессора

Тактовая частота. Для каждой выполняемой процессором команды требуется строго определенное количество единиц времени (тактов). Тактовые импульсы формируются генератором тактовой частоты, установленным на системной плате. Чем чаще они генерируются, тем больше команд процессор выполняет за единицу времени, т. е. тем выше его быстродействие. Тактовая частота обычно выражается в мегагерцах. 1 МГц равен 1 миллиону тактов в секунду. Первые модели процессоров Intel (i8008x) работали с тактовыми частотами, меньшими 5 МГц. Сегодня тактовая частота последних процессоров превышает 3 ГГц (1 ГГц = 1000 МГц). Внутренняя архитектура процессора, как и тактовая частота, также влияет на работу процессора, поэтому два CPU с одинаковой тактовой частотой не обязательно будут тратить одинаковое время на выполнение одной команды. Если, например, микропроцессору Intel 80286 требовалось 20 тактов, чтобы выполнить команду умножения двух чисел, то Intel 80486 или старше мог выполнить это же действие за один такт. Некоторые процессоры способны выполнять более одной команды за 1 такт. Их называют суперскалярными.

Различают внутреннюю и внешнюю тактовую частоту.

Внешняя тактовая частота — это частота, с которой процессор обменивается данными с оперативной памятью компьютера. Как уже было сказано выше, она формируется генератором тактовых импульсов (кварцевым резонатором).

Внутренняя тактовая частота — это частота, с которой происходит работа внутри процессора. Именно это значение указывается в прайс-листах фирм, продающих процессоры.

Первые процессоры имели одинаковую внутреннюю и внешнюю частоту, но, начиная с процессора i80486, для определения внутренней частоты стал применяться коэффициент умножения. Этот коэффициент определяется подачей напряжения на определенные контакты центрального процессора.

Разрядность процессора определяет количество битов данных, которые он может принять и обработать одновременно. Первые процессоры были 8-разрядные и 16-разрядные. Современные процессоры имеют разрядность 32 или 64 бита.

Объем кэш-памяти. Как уже было сказано, при поиске нужной информации процессор в первую очередь обращается к кэш-па-мяти. Поэтому чем выше ее объем, тем больше вероятность, что необходимые данные будут найдены именно там.

Технологические нормы. Технологические нормы определяют расстояние между соседними транзисторами. Чем меньше расстояние, тем короче каналы транзисторов и тем больше их быстродействие. Кроме того, уменьшение расстояния понижает уровень мощности тепловыделения. В настоящее время все процессоры производятся с технологическими нормами 0,09 микрона, 0,065 микрона и 0,045 микрона (1 микрон = 10~6 метров). Иногда технологические нормы указывают в нанометрах (1 нм = 10~9 м).

Количество ядер. Большинство современных процессоров выпускаются с несколькими ядрами (обычно их два или четыре). Благодаря наличию нескольких ядер процессор может одновременно обрабатывать несколько потоков программных команд, т. е. решать параллельно несколько задач в режиме реального времени.

Для определения основных характеристик процессора можно воспользоваться специальными сервисными программами. Примером такой программы является CPU-Z (рис. 2.24). Ее можно бесплатно скачать из Интернета.

МИКРОПРОЦЕССОРЫ ПК:ОСНОВНЫЕ ПОКОЛЕНИЯ

Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

1. чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
2. чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
3. прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;
4. обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;
5. выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

В состав микропроцессора входят следующие устройства.

1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:

• формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
• формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
• получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:

• внутренний интерфейс микропроцессора;
• буферные запоминающие регистры;
• схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору , другое устройство.)

К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с МП 80486 DX, включают математический сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие компьютера.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.

Прерывание — это временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

1. микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;
2. микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;
3. микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;
4. микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

Важнейшими характеристиками микропроцессора являются:

1. тактовая частота. 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, при прочих равных условиях, производительность компьютера; ………

ВНУРЕННЯЯ ПАМЯТЬ ПК

Память компьютера (Memory)— устройство для запоминания данных. В зависимости от характера использования различают внутреннюю или внешнюю память.

Оперативная память(ОП) предназначена для временного хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Это энергозависимая память. Физически реализуется в модулях ОЗУ (оперативных запоминающих устройствах) различного типа. При выключении электропитания вся информация в оперативной памяти исчезает.

Объём хранящейся информации в ОЗУ составляет от 32 до 512 Мбайт и более. Занесение информации в память и её извлечение, производится по адресам. Каждый байт ОП имеет свой индивидуальный адрес (порядковый номер). Адрес – число, которое идентифицирует ячейки памяти (регистры). ОП состоит из большого количества ячеек, в каждой из которых хранится определенный объем информации. ОП непосредственно связана с процессором. Возможности ПК во многом зависят от объёма ОП.

Кеш память— очень быстрая память малого объема служит для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств различной скорости.

Специальная— постоянная, Fiash, видеопамять и тд.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)– энергонезависимая память для хранения программ управления работой и тестирования устройств ПК. Важнейшая микросхема ПЗУ – модуль BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода), в котором хранятся программы автоматического тестирования устройств после включения компьютера и загрузки ОС в оперативную память. Это Неразрушимая память, которая не изменяется при выключении питания

Перепрограммируемая постоянная память(Flash Memory) – энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого

CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) — память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, о режимах его работы. Содержимое изменяется программой, находящейся в BIOS (Basic Input Output System).

Видеопамять– запоминающее устройство, расположенное на плате управления дисплеем и предназначенное для хранения текстовой и графической информации, отображаемой на экране. Содержимое этой памяти сразу доступно двум устройствам – процессору и дисплею, что позволяет изменять изображение на экране одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ ПК

Внешняя память — это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер

Дисковод(накопитель) — устройство записи/считывания информации. Накопители имеют собственное имя – буква латинского алфавита, за которой следует двоеточие. Для подключения к компьютеру одного или несколько дисководов и управления их работой нужен Дисковый контроллер

Носитель информации (носитель записи) – материальный объект, способный хранить информацию. Информация записывается на носитель посредством изменения физических, химических и механических свойств запоминающей среды

По типу доступа к информации внешнюю память делят на два класса:

Устройства прямого (произвольного) доступа – время обращения к информации не зависит от места её расположения на носителе;

Устройство последовательного доступа – такая зависимость существует

В состав внешней памяти входят:1) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД); 2) накопители на гибких магнитных дисках (НГМД); 3) накопители на магнитооптических компакт дисках; 4) накопители на оптических дисках (CD-ROM); 5) накопители на магнитной ленте и др.

Что такое микропроцессор и чем микропроцессоры отличаются между собой?



Микропроцессор — это мозг любого вычислительного устройства. Без него невозможно построить какой-либо стоящий электронный прибор. Микропроцессоры бывают разны ми по своим характеристикам, поэтому их можно встретить в суперкомпьютере, который занимается нереальными расчетами , или в мини — компьютере Arduino, который контролирует полив комнатных цветов. Разные микропроцессоры выполняют разные задачи, но цель у них одна — облегчить жизн ь людям.

Мы будем очень благодарны

если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.