Процессоры. Назначение. Основные характеристики

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

Процессор
является основным «мозговым» узлом, в задачу которого входит исполнение программного кода, находящегося в памяти. В настоящее время под словом «процессор» подразумевают микропроцессор – микросхему, которая, кроме собственного процессора может содержать и другие узлы – например кэш-память. Процессор в определённой последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для пересылки, и обработки анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительные процессоры. В компьютер и обязательно должен присутствовать центральный процессор, (CPU – CentralProcessingUnit)который исполняет основную программу. В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры
, ориентированные на эффективное исполнение на каких—либо специфических функций. Широко распространены математические сопроцессоры
, эффективно обрабатывающие числовые данные в формате с плавающей точкой; графические сопроцессоры
, выполняющие геометрические построения и обработку графических изображений: сопроцессоры ввода/вывода
, разгружающий центральный процессор от не сложных, но многочисленных операций взаимодействия с периферийными устройствами. Возможно и другие сопроцессоры, но все они несамостоятельны – исполнение основного вычислительного процессора осуществляется центральным процессором, который в соответствии с программой выдает «задания» сопроцессорам на исполнение их «партий».

1.
Процессоры. Назначение. Основные характеристики.

Центральный процессор.

Центральный процессор (ЦП)
– функционально-законченное программно - управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

· Полная система команд переменной длины – ComplexInstructionSetComputer (CISC);

· Сокращенный набор команд фиксированной длины - ReducedInstructionSetComputer (RISC).

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC – процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду, наиболее подходящую ему данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессором, увеличивает время исполнения команды микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.

RISC – архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC – архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Упрощенная схема процессора, отражающая основные особенности архитектуры микроуровня, приведена на рис.1. Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит

Управление И Синхро- низация Счетчик команд Регистр общего назначения Управление выборкой очередной микрокоманды ПЗУ микрокоманд Дешифратор команд Буфер команд Контроллер шины Шина шина шина Адреса данных управ- ления

Рис.1

· Буфер команд
, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшая время ее выборки из памяти;

· Дешифратор команд
расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды;

· Управление выборкой очередной микрокоманды
представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;

· Постоянное запоминающее устройство
(ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то., что записанная в него информация сохраняется сколько угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.

Поступивший от дешифратора команд адрес записывается в счетчик микрокоманд устройства выборки, и начинается процесс обработки последовательности микрокоманд. Каждый разряд микрокоманды связан с одним управляющим входом какого- либо функционального устройства. Так, например, управляющие входы регистра хранения «Сброс», «запись», «Чтение» соединены с соответствующими разрядами микрокоманды. Общее число разрядов микрокоманды может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч и равно общему числу управляющих входов всех функциональных устройств процессора. Часть разрядов микрокоманды подается на устройство управления выборкой очередной микрокоманды и используется для организации условных переходов и циклов, так как алгоритмы обработки команд могут быть достаточно сложными.

Выборка очередной микрокоманды осуществляется через определенный интервал времени, который, в свою очередь, зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, с которой осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой
процессора. Тактовая частота является важной характеристикой процессора, так как определяет скорость выполнения процессором команд, и, в конечном итоге, быстродействие процессора.

Арифметико-логическое устройство
(АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специальных регистров, полноразрядного суммарного и схем местного управления.

Регистры общего назначения (РОН) используются для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Необходимо отметить, что если операнды команды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается. Одна из причин, почему программисты иногда обращаются к программированию на языке машинных команд, это наиболее полное использование РОН для получения максимального быстродействия при выполнение программ, критичных по времени.

Рассмотрим кратко характеристики процессоров, используемых в современных ПК типа IBMPC. Процессоры для этих ПК выпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма Intel. Ее последней разработкой является процессор IntelCore, выпуск которого начат в начале 2006 г.. К основным особенностям архитектуры IntelCore можно отнести следующие:

-Имеет специальный внутренний КЭШ размером 2 Мбайта;

-Добавлена арбитражная шина, которая уменьшает нагрузку системной шины;

-Внутренняя микроархитектура процессора базируется на двух ядрах – параллельно работающих конвейерах команд (суперскалярная архитектура), которые исполняют сразу несколько команд в 12 разных фазах обработки(чтение, дешифрация, загрузка операндов, исполнение и т.д.). Конвейеры заканчиваются двумя АЛУ:АЛУ, работающим на удвоенной частоте процессора для коротких арифметических и логических команд, и АЛУ для выполнения медленных команд;

-Введено управление питанием ядра, которое включает в себя блок температурного контроля, способный управлять отдельно питанием каждого ядра.

Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессоров Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базового варианта процессора. Но следует отметить, что последние модели процессоров Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его.

Фирма AMD(
Advanced
Micro
Devices
)
выпускает процессоры, совместимые по системе команд с IntelPentium 4 – Athlon
(К7). Этот процессор выполнен по суперскалярной архитектуре с тремя конвейерами команд, работающими параллельно и способными обрабатывать до девяти инструкции за один цикл работы процессора. Тестирование процессора К7 и его сравнение с Pentium4показывает, что К7 не уступает ему и даже превосходит его в некоторых случаях. Стоимость процессора Athlon на 20 – 30% дешевле процессора Intel. Процессор К7 требует для своей работы собственной шины, несовместимой с шиной процессора Pentium4. Поэтому замена одного типа процессора другим требует и замены системной платы, на которой расположен набор микросхем основных функциональных устройств ПК.

2.
Поколение процессора
.

В IBM-совместимых ПК применяются процессоры (CPU – CentralProcessorUnit), совместимые с семейством 80х86 фирмы Intel. В оригинальной IBMPC использовался процессор 8088 с 16-разрядные (386,486, Pentium, PentiumPro) и с 64-разрядным расширением MMX, включают в себя подмножества системы команд и архитектуры нижестоящих моделей, обеспечивая совместимость с ранее написанным ПО. Несмотря на то что с 1995 – 96 годов «рядовым» процессором стал Pentium, обрастающий всякими расширениями, процессор 8088 заслуживает отдельного внимания, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, с него-то и началось массовое PC-строение, в том числе и в нашей стране (хотя всемирный «бум» пришелся на процессоры 80286). Во-вторых, из знания его характерных свойств приходит понимание ряда особенностей процессоров, в том числе пятого и шестого поколения.

Процессоры от 8088 до Pentium, применяемые в PC, являются однокристальными микропроцессорами – собственно процессор располагается на одном кристалле в одном корпусе (микросхеме). Процессор Pentium2,строго говоря, однокристальным не является – здесь кристалл процессора и несколько кристаллов вторичного кэша собраны на общем картридже, хотя для потребителей это не так и существенно – все функции выполняют одно изделие. В зависимости от сложности процессора (числа выводов), его рассеиваемой мощности и назначения применяются различные типы корпусов:

-DIP – DualIn- linePackage, керамический корпус с двухрядным расположением штырьковых выводов;

-PGA – PinGridArray, керамический корпус с матрицей штырьковых выводов;

-PQFP – PlasticQuadFlatPack, пластиковый корпус с выводами по сторонам квадрата;

-SPGA – StaggeredPGA, корпус с шахматным расположением выводов;

-SQFP – SmallQuadFlatPack, миниатюрный корпус с выводами по сторонам квадрата

-PPGA – PlasticPinGridArray, термоустойчивый пластмассовый корпус SPGA;

-TCP – TapeCarrierPackage, миниатюрный корпус с расположенными по периметру ленточными выводами;

-S.E.C.C. – SingleEdgeConnectorCartridge, картридж процессора Pentium 2 – печатная плата с краевым разъездом, на котором смонтированы кристаллы процессора, кэш-памяти, охлаждающий радиатор и вентилятор.

Процессоры в корпусах DIP занимали много места, на их смену пришли компактные корпуса PGA, PPGAи SPGA, которые обычно устанавливаются в ZIFsocket (ZeroInsertionForce) – колодка (сокет) с нулевым усилием вставки. Корпуса PQFP, SQFP предназначены для установки в специальные колодки или припаивания к плате. Самые компактные из многоконтактных, корпусах ТСР предназначены для припаивания к системной плате портативных систем.

3.Память процессоров.

Памятьпроцессора предназначена для кратковременного и долговременного хранения информации – кодов команд и данных. Информация в памяти хранится в двоичных кодах, каждый бит – элементарная ячейка - может принимать значение «0» или «1». Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, однозначно ее идентифицирующий в определенной системе координат. Минимальной адресуемой единицей хранения информации в памяти обычно является байт, состоящий, как правило, из 8 бит.

Существуют процессоры и компьютеры с разрядностью обрабатываемого слова не кратной 8 (например, 5, 7, 9…), и их байты не восьмибитные, но в мире РС столкновение с ними маловероятно . Также в некоторых системах (обычно коммуникационных) совокупность восьми соседних бит данных называют октетом. Название «октет» обычно подразумевает, что эти 8 бит не имеют явного адреса, а характеризуются только своим местоположением в длинной цепочке бит.

Со временем появления больших (по размерам) компьютеров сложилось деление памяти на внутреннюю и внешнюю. Под внутренней подразумевается память, расположенная внутри процессорного «шкафа» (или плотно к нему примыкающая). Сюда входила и электронная и магнитная память (на магнитных сердечниках). Внешняя память предоставляла собой отдельные устройства с подвижными носителями – накопители на магнитных дисках (а сначала – на барабанах) и ленте. Со временем все устройства компьютера удалось поселить в один небольшой корпус, и прежнюю классификацию памяти применительно к РС можно переформулировать так:

· Внутренняя память – электронная (полупроводниковая) память, устанавливаемая на системной плате или на платах расширения;

· Внешняя память – память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижным носителями. В настоящее время сюда входят устройства магнитной (дисковой и ленточной) памяти, оптической и магнитооптической памяти. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах, достигающих иногда и размеров небольшого шкафа.

Для процессора непосредственно доступной является внутренняя память, доступ к которой осуществляется по адресу, заданному программой. Для внутренней памяти характерен одномерный (линейный) адрес, который представляет собой одно двоичное число определенной разрядности. Внутренняя память подразделяется на оперативную, информация в которой может изменятся процессором в любой момент времени, и постоянную, информацию которой процессор может только считывать. Обращение к ячейкам оперативной памяти может происходить в любом порядке, причем как по чтению, так и по записи, и оперативную память называют памятью с произвольным доступом – RandomAccessMemory (RAM) – в отличие от постоянной памяти (ReadOnlyMemory,ROM). Внешняя память адресуется более сложным образом – каждая ее ячейка имеет свой адрес внутри некоторого блока, который, в свою очередь, имеет многомерный адрес. Во время физических операций обмена данными блок может быть считан или записан только целиком.

4. Маркировка. Основные проектировщики и производители.

Процессоры
фирм
AMD, IBM, Cyrix
и
Texas Instruments.

Фирма AMD традиционно выпускает процессоры, совместимые с передовыми моделями от Intel. Эти процессоры обычно появляются несколько позже, но вбирают в себя достижения, реализованные Intel в более поздних моделях. Процессоры класса 486 фирмы AMD совместимы с моделями Intel.Наибольший интерес представляют процессоры семейства EnhancedAm486® и Am5X86^тм
, представляющие вершину достижений, реализованных в рамках шины 486 процессора (PentiumOverDrive, конечно, их несколько превосходит, но его цена менее привлекательна). Их отличие экономичность потребления – питание пониженным напряжением, наличие развитых средств SMM и управления потреблением, более широкое применение политики обратной записи первичного кэша.

Процессоры используют умножение частоты на коэффициент 2,3 и даже 4, который может снижаться заземлением вывода CLKMUL.

Процессоры имеют возможность снижения энергопотребления в нерабочем режиме (аналогичные средства появились в процессорах Pentium начиная только со 2-го поколения). По сигналу STOPCLK# процессор выгружает буферы записи и входит в режим StopGrant, в котором прекращается тактирование большинства узлов процессора, что вызывает снижение потребления. В этом состоянии он прекращает исполнение инструкций и не обслуживает прерывания, но продолжает слежение за шиной данных, отслеживание кэш-попадания. Из этого состояния процессор выходит по снятию сигнала STOPCLK#, совместно с использованием режима SMM, реализует механизм расширенного управления питания APM(AdvancedPowerManagement).

В состояние пониженного потребления AutoHALTPowerDowen процессор переходит при исполнении инструкции HALT. В этом состояние процессор реагирует на все прерывания и также продолжает слежение за шиной.

Из состояния StopGrant остановкой внешней синхронизации процессор можно перевести в режим StopClok, в котором он потребляет минимальную мощность. В этом режиме он не выполняет никаких функций, но при возобновление синхронизации вернется в состояние StopGrant, из которого можно выйти в нормальный режим работы.

Расширенные средства SMM, реализованные в процессоре, поддерживают рестарт инструкций ввода/вывода и изменение базового адреса SMRAM.

Процессоры EnhancedAm486 имеют обозначения вида

A80486 DX4 – 120 ля названия (слева направо) расшифровываются следующим образом:

-Типакорпуса: A=PGA-186, S=SQFP-208.

-Типа устройства: 80486 Am486.

-Версия: DX4 = с устроением частоты и FPU, DX2 = с удвоением частоты и FPU.

-Частота (внутренняя), МГц: 120, 100, 80, 75 или 66.

-Семейство: S = ENHANCED(с расширенными возможностями).

-Напряжение питания: V = питание 3,3 В, входы допускают уровень сигнала 5 В.

-Размер кэша: 8 = 8 Кбайт.

-Типкэша: В = Write Back.

Эти процессоры могут устанавливать практически в любые системные платы с сокетами 1, 2 или 3, имеющими регулятор напряжения питания процессора, обеспечивающий номинальное напряжение 3,3 В. Платы, не поддерживающие расширенный режим шины, будут использовать процессоры только в режиме сквозной записи кэша. Более современные платы реализуют все преимущества данных процессоров.

Процессоры Am5x86-P75, они же AMD-X5-133 – самые высокопроизводительные процессоры класса 486 – имеют иную систему обозначения. Здесь надпись вида AMD-X5 – 133 ADWрасшифровывается следующим образом:

- AMD-X5 – обозначение процессора с учетверением частоты.

-Частота (внутренняя) - 133 МГц.

-Типкорпуса: A=PGA-168, S=SQFP-208.

-Напряжение питания: D = 3,45 B, F = 3,3 B.

-Допустимая температура корпуса: W=55 ^o
C, Z=85 ^o
C.

Хотя эти процессоры по интерфейсу идентичны процессорам EnhancedAm486, их удается использовать далеко не на всех системных платежах 486. Иногда причина кроется в версии BIOS, замена которой приводит к желаемому результату. Иногда приходится снижать коэффициент умножения (если на плате есть джампер, позволяющий подать низкий уровень на вывод CLIKMUL). Правда, при этом процессор становится аналогом DX-100 или DX4-120 в зависимости от выбранной входной частоты.

Кроме процессоров Intelи AMD, с шиной 486процессора имеются продукты и других фирм. К ним относятся следующие:

Процессоры фирмы
Cyrix
:

-Cx486DX имеет по сравнению с другими более эффективный FPU.Процессоры Cx486DX2-66 и Cx486DX4-100 имеют кэш с обратной записью (WB), по параметрам близки к соответствующим моделям AMD.

-CYRIX 5x86-100 и 5x86-120 по внутренней архитектуре приближаются к пятому поколению (имеют, например, динамическое предсказание ветвлений), но внешнюю шину 486 процессора с расширенным режимом (кэш работает с обратной записью). Их производительность существенно выше 486-х процессоров Intel и AMD с такими же тактовыми частотами. Проблемы с установкой этого процессора обычно связана с отсутствием его поддержкой конкретной версией BIOS. Кроме того, с этим процессором могут «зависать» некоторые программы, в частности написанные с помощью системы Clipper. Фирма Cyrix объясняет это явление тем, что задержки, реализованные на программных циклах, в этом процессоре будут иметь существенно меньше значение, чем в процессорах четвертого поколения (обратная сторона предсказаний ветвлений). Для «лечения» этого «недуга» предлагаются специальные программы-замедлители, очевидно, отключающие архитектурные «излишества», а, к примеру, для использования пакета 3D-Studio с данным процессорам предлагаются Patch-файлы («заплатки»).

Процессоры фирмы
IBM
.

-486BL2, 486Bl3 (BlueLighting- молния) – вариант 486SX с 2-3-кратным умножением частоты без BurstMode, питание 3,3 В и пониженное потребление. За звучным названием не стоят какие-либо серьезные преимущества.

Несмотря на обозначение, процессоры 486SLCи 486DLC предназначены для замены 386SX и 386DX соответственно – их корпус и интерфейс к стандартной шине 486 процессоров отношения не имеют.

Процессоры фирмы
Texas Instruments
.

-TIDX2-80 и TIDX4-100 близки к аналогичным 486-м процессорам AMD.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Центральный процессор (ЦП)
– функционально-законченное программно - управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. . Процессор в определённой последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их

. В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным.Характеристика процессоров, используемых в современных ПК типа IBMPC, процессоры для этих ПК выпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма Intel. Ее последней разработкой является процессор IntelCore, выпуск которого начат в начале 2006 г.

Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессоров Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базового варианта процессора. Но следует отметить, что последние модели процессоров Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его.

Процессоры имеют возможность снижения энергопотребления в нерабочем режиме (аналогичные средства появились в процессорах Pentium начиная только со 2-го поколения).

Список использованной литературы.

1. Воройский Ф. С. Информатика. Энциклопедия словарь справочник: введение в современные информационные и телекоммуникационные технологии в терминах и фактах. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. – 768 с.

2. Гридина Е. А. Современный русский язык. Словообразование: теория, алгоритмы анализа, тренинг. Учебное пособие/ Т. А. Гридина, Н. И. Коновалова. – 2-е изд. – М.: Наука: Флинта, 2008. – 160 с.

3. Магилев П. К. Практикум по информатике,-Изд. 2-е,2005

4. Маккормик Д. Сикреты работы в Windows, Word, WordExcel. Полное руководство для начинающих: Пер. с англ.И. Тимонина. – Харьков: «Книжный клуб“ Клуб семейного доступа”», 2008ю – 240 с.:ил.

5. Макарова, Информатика. Практикум по технологии работы на компьютере.- Под редакцией/ Макаровой,-Изд. 3-е, 2005.

6. Соболь Б. В. Информатика : учебник / Б. В. Соболь и др.-Изд. 3-е, допол. и перераб. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 446 с.

7. Этимологический словарь русского языка для школьников и студентов. Более 1000 слов/ Сост. Е. Грубен. – М.: ЛОКИД – пресс, 2007. – 576 с.

8. Ягудин Р. М. Русский язык. Грамматика. Орфография. Пунктуация. : Справ. – 4-е издание, стер. – Уфа: Башкортостан, 2005. -280 с.