Кафедра Прикладная Математика
Исследовательская работа
Назначение процессора
Выполнил:Мещеряков Д. С.
Проверила:Жукова М.С.
2010
Процессор
Центра́льныйпроце́ссор (ЦП, или центральное процессовоеустройство — ЦПУ; англ. centralprocessingunit,сокращенно — CPU, дословно — центральноеобрабатывающее устройство) — микросхема, исполнитель машинныхинструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютераили программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессоромили просто процессором. На компьютерном сленге его называют либо«проц», либо «камень».
История развития
Историяразвития технологии производства процессоров полностью соответствует историиразвития технологии производства элементной базы.
Первым этапомзатронувшим период с сороковых по конец пятидесятых годов, было созданиепроцессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников(устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмына модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённыхпроводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью быланизкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.
Вторымэтапом, с середины пятидесятых до середины шестидесятых, стало внедрениетранзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по видуплатам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял изнескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность,уменьшилось энергопотребление.
Третьимэтапом, наступившим в середине шестидесятых годов, стало использованиемикросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции,содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развитиятехнологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементыцифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затемболее сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры),позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора —микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры,устройства работы с шинами данных и команд.
Четвёртымэтапом стало создание микропроцессора, при котором на одной микросхемефизически были расположены все основные элементы и блоки процессора. ФирмаIntel в 1971 году создала первый в мире 4-х разрядный микропроцессор 4004,предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практическивсе процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгоевремя оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные длярешения специальных задач (например суперкомпьютеры или процессоры для решенияряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требованияпо надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов иионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространениемсовременных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в форматемикропроцессора.
Первымобщедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всехсовременных настольных процессоров. Но из-за распространённости 8-разрядныхмодулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти.Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появилсязащищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мбпамяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенныйзащищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гбоперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейкапроцессоров построена на регистровой вычислительной модели.
Параллельноразвиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.
Основныефункции
#выборка (чтение)выполняемых команд;
# ввод (чтение) данных;
# вывод (запись) данныхв память или в устройства ввода/вывода;
# обработка данных(операндов), в том числе арифметические операции над ними;
# адресация памяти, тоесть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;
# обработка прерыванийи режима прямого доступа;
Основные характеристики
Что такое процессорс горем пополам знают многие люди, но как разбираться в техническойдокументации к нему. Что в прайсе значат непонятные цифры и другие подобныевопросы осилит далеко не каждый пользователь. Да и порой знатоки компьютера невсегда четко представляют, что значит разрядность, например.
Давайте вместе разберемосновные характеристики процессора. Ввиду того, что при выборекомпьютера важно все – будем разбирать по возможности всё
1.Тактоваячастота —тактом мы можем условно назвать одну операцию. Единица измерения МГц и ГГц(мегагерц и гигагерц). 1 МГц — значит, что процессор может выполнить 1 миллионопераций в секунду. У нас на домашнем компьютере процессор 3,16 ГГц —следовательно он может выполнить 3 Миллиарда 166 миллионов операций за 1секунду.
2. Другойосновной характеристикой процессора является его разрядность. Сейчас всё больше процессоров 64разрядные. В общем виде — разрядность означает, сколько оперативной памяти выможете максимум установить в свой компьютер. В принципе сейчас для домашнегокомпьютера вполне достаточно 4 гигабайт оперативной памяти и следовательно 32разрядного процессора. Если у вас дома не будет сервер, то не гонитесь забольшей разрядностью.
3. Кэшпроцессора — довольно важный параметр. Чем он больше, тем больше данных хранится в особойпамяти, которая ускоряет работу процессора. В кэше процессора находятся данные,которые могут понадобится в работе в самое ближайшее время. Чтобы вы непутались в уровнях кэша — запомните одно свойство: кэш первого уровня самыйбыстрый, но самый маленький, второго — помедленней, но побольше и кэш третьегоуровня самый медленный и самый большой (если он есть)
4. Техническийпроцесс (иногдапишут технология) — не основная характеристика процессора дляобычного обывателя, но знать о нем надо, чтобы понимать заумные статьи накомпьютерных сайтах. Чем меньше тех процесс, тем как говорится, лучше. По факту– это площадь кристалла на процессоре. Чем кристаллы меньше, тем их большеможно уместить, следовательно увеличить тактовую частоту. Да и на меньшийкристалл нужно меньше подавать напряжения, поэтому и тепловыделениеуменьшается, поэтому опять же можно увеличить тактовую частоту. Эта цепочкаприведена в пример, что бы вы поняли как всё взаимосвязано. Тех процесс впрайсах могут и не написать, но в обзорах его упоминают почти всегда.
5.Socket– этот параметр нужен для стандартизации всех процессоров по разъемамподключения кматеринской плате. Например, Socket LGA775 – если вы такую характеристикувстретите на материнской плате, то к ней подойдут только процессоры смаркировкой Socket LGA775 и никакие другие. Обратное правило тоже действует.
Классификацияпроцессоров
1) однокристальный
2) многокристальный
3) многокристальныйсекционный
По числу больших интегральныхсхем в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные,многокристальные и многокристальные секционные.
Однокристальныемикропроцессоры получаются при реализации всехаппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшойинтегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов вкристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоровулучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограниченыаппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристальногомикропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры нафункционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС).Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает,что его части выполняют заранее определенные функции и могут работатьавтономно.
Многокристальныесекционные микропроцессоры получаются в том случае, когда ввиде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональномразбиении ее вертикальными плоскостями. Для построения многоразрядныхмикропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляютсясредства «стыковки».
Классификацияпо назначению
Универсальныемикропроцессоры могут быть применены для решенияширокого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительностьслабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е.его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функцийпозволяет резко увеличить эффективную производительность при решении толькоопределенных задач.
Средиспециализированных микропроцессоров можно выделитьразличные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложныхпоследовательностей логических операций, математические МП, предназначенные дляповышения производительности при выполнении арифметических операций за счет,например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различныхобластях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективнорешать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюцияпозволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чемшироко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся ксравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, ификсированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность вреальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формыпутем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, можетпозволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.
Классификация похарактеру временной организации работы
Синхронныемикропроцессоры — микропроцессоры, в которых начало иконец выполнения операций задаются устройством управления (время выполненияопераций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величиноперандов).
Асинхронныемикропроцессоры позволяют начало выполнения каждойследующей операции определить по сигналу фактического окончания выполненияпредыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройствамикропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводятэлектронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств.Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигналзапроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этомроль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая всоответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальныхустройств по обеспечению их командной информацией и данными.
Классификация поколичеству выполняемых программ
В однопрограммныхмикропроцессорах выполняется только одна программа.Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущейпрограммы.
В много- илимультипрограммных микропроцессорах одновременновыполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организациямультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяетосуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников илиприемников информации.
Основные производители
Основными монополистамина рынке процессоров являются кампания Intel и AMD.
Доли компаний на рынке
По даннымкомпании IDC, по итогам 2009 г. доля корпорации Intel составила 79,7%, доля AMD– 20,1%.
Самая последняя моделькампании AMD 6-ти ядерный процессорAMD Phenom II X6.Самая последняя модель кампании Intel Core i7 Extreme.Перспективы
В ближайшие10-20 лет, скорее всего, изменится материальная часть процессоров ввиду того,что технологический процесс достигнет физических пределов производства.Возможно, это будут:
1. Оптическиекомпьютеры — в которых вместо электрических сигналов обработке подвергаютсяпотоки света (фотоны, а не электроны).
2. Квантовыекомпьютеры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. Внастоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовыхпроцессоров.
3. Молекулярныекомпьютеры — вычислительные системы, использующие вычислительные возможностимолекул (преимущественно, органических). Молекулярными компьютерамииспользуется идея вычислительных возможностей расположения атомов впространстве.