Основная микросхема компьютера выполняющая машинные инструкции

Вы читаете эти строки со смартфона, планшета или компьютера. Любое из этих устройств основано на микропроцессоре. Микропроцессор является «сердцем» любого компьютерного устройства. Существует много типов микропроцессоров, но все они решают одни и те же задачи. Сегодня мы поговорим о том, как процессор работает и какие задачи он выполняет. На первый взгляд все это представляется очевидным. Но очень многим пользователям было бы интересно углубить свои знания о важнейшем компоненте, обеспечивающем работу компьютера. Мы узнаем о том, как технология, основанная на простой цифровой логике, позволяет вашему компьютеру не только решать математические задачи, но и быть развлекательным центром. Как всего две цифры — единица и ноль — преобразуются в красочные игры и фильмы? Этот вопрос многие неоднократно задавали себе и будут рады получить на него ответ. Ведь даже в основе недавно рассмотренного нами процессора AMD Jaguar, на котором базируются новейшие игровые приставки, лежит та же древняя логика.

В англоязычной литературе микропроцессор часто называют CPU (central processing unit, [единым] модулем центрального процессора). Причина такого названия кроется в том, что современный процессор представляет собою единый чип. Первый микропроцессор в истории человечества был создан корпорацией Intel в далеком 1971 году.

Роль Intel в истории микропроцессорной индустрии

Речь идет о модели Intel 4004. Мощным он не был и умел выполнять только действия сложения и вычитания. Одновременно он мог обрабатывать всего четыре бита информации (то есть был 4-битным). Но для своего времени его появление стало значительным событием. Ведь весь процессор поместился в одном чипе. До появления Intel 4004, компьютеры базировались на целом наборе чипов или дискретных компонентов (транзисторов). Микропроцессор 4004 лег в основу одного из первых портативных калькуляторов.

Первым микропроцессором для домашних компьютеров стал представленный в 1974 году Intel 8080. Вся вычислительная мощность 8-битного компьютера помещалась в одном чипе. Но по-настоящему большое значение имел анонс процессора Intel 8088. Он появился в 1979 году и с 1981 года стал использоваться в первых массовых персональных компьютерах IBM PC.

Далее процессоры начали развиваться и обрастать мощью. Каждый, кто хоть немного знаком с историей микропроцессорной индустрии, помнит, что на смену 8088 пришли 80286. Затем настал черед 80386, за которым следовали 80486. Потом были несколько поколений «Пентиумов»: Pentium, Pentium II, III и Pentium 4. Все это «интеловские» процессоры, основанные на базовой конструкции 8088. Они обладали обратной совместимостью. Это значит, что Pentium 4 мог обработать любой фрагмент кода для 8088, но делал это со скоростью, возросшей примерно в пять тысяч раз. С тех пор прошло не так много лет, но успели смениться еще несколько поколений микропроцессоров.

С 2004 года Intel начала предлагать многоядерные процессоры. Число используемых в них транзисторов возросло на миллионы. Но даже сейчас процессор подчиняется тем общим правилам, которые были созданы для ранних чипов. В таблице отражена история микропроцессоров Intel до 2004 года (включительно). Мы сделаем некоторые пояснения к тому, что означают отраженные в ней показатели:

• Name (Название). Модель процессора
• Date (Дата). Год, в который процессор был впервые представлен. Многие процессоры представляли многократно, каждый раз, когда повышалась их тактовая частота. Таким образом, очередная модификация чипа могла быть повторно анонсирована даже через несколько лет после появления на рынке первой его версии
• Transistors (Количество транзисторов). Количество транзисторов в чипе. Вы можете видеть, что этот показатель неуклонно увеличивался
• Microns (Ширина в микронах). Один микрон равен одной миллионной доле метра. Величина этого показателя определяется толщиной самого тонкого провода в чипе. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 100 микрон
• Clock speed (Тактовая частота). Максимальная скорость работы процессора
• Data Width. «Битность» арифметико-логического устройства процессора (АЛУ, ALU). 8-битное АЛУ может слагать, вычитать, умножать и выполнять иные действия над двумя 8-битными числами. 32-битное АЛУ может работать с 32-битными числами. Чтобы сложить два 32-битных числа, восьмибитному АЛУ необходимо выполнить четыре инструкции. 32-битное АЛУ справится с этой задачей за одну инструкцию. Во многих (но не во всех) случаях ширина внешней шины данных совпадает с «битностью» АЛУ. Процессор 8088 обладал 16-битным АЛУ, но 8-битной шиной. Для поздних «Пентиумов» была характерна ситуация, когда шина была уже 64-битной, а АЛУ по-прежнему оставалось 32-битным
• MIPS (Миллионов инструкций в секунду). Позволяет приблизительно оценить производительность процессора. Современные микропроцессоры выполняют настолько много разных задач, что этот показатель потерял свое первоначальное значение и может использоваться, в основном, для сравнения вычислительной мощности нескольких процессоров (как в данной таблице)

Существует непосредственная связь между тактовой частотой, а также количеством транзисторов и числом операций, выполняемых процессором за одну секунду. Например, тактовая частота процессора 8088 достигала 5 МГЦ, а производительность: всего 0,33 миллиона операций в секунду. То есть на выполнение одной инструкции требовалось порядка 15 тактов процессора. В 2004 году процессоры уже могли выполнять по две инструкции за один такт. Это улучшение было обеспечено увеличением количества процессоров в чипе.

Чип также называют интегральной микросхемой (или просто микросхемой). Чаще всего это маленькая и тонкая кремниевая пластинка, в которую «впечатаны» транзисторы. Чип, сторона которого достигает двух с половиной сантиметров, может содержать десятки миллионов транзисторов. Простейшие процессоры могут быть квадратиками со стороной всего в несколько миллиметров. И этого размера достаточно для нескольких тысяч транзисторов.

Логика микропроцессора

Чтобы понять, как работает микропроцессор, следует изучить логику, на которой он основан, а также познакомиться с языком ассемблера. Это родной язык микропроцессора.

Микропроцессор способен выполнять определенный набор машинных инструкций (команд). Оперируя этими командами, процессор выполняет три основные задачи:

• C помощью своего арифметико-логического устройства, процессор выполняет математические действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей точкой (с помощью специального арифметического процессора операций с плавающей точкой)
• Микропроцессор способен перемещать данные из одного типа памяти в другой
• Микропроцессор обладает способностью принимать решение и, на основании принятого им решения, «перепрыгивать», то есть переключаться на выполнение нового набора команд

Микропроцессор содержит:

• Address bus (адресную шину). Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Она занимается отправкой адреса в память
• Data bus (шину данных): шириной 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать их из памяти. Когда говорят о «битности» процессора, речь идет о ширине шины данных
• Каналы RD (read, чтения) и WR (write, записи), обеспечивающие взаимодействие с памятью
• Clock line (шина синхронизирующих импульсов), обеспечивающая такты процессора
• Reset line (шина стирания, шина сброса), обнуляющая значение счетчика команд и перезапускающая выполнение инструкций

Поскольку информация достаточно сложна, будем исходить из того, что ширина обеих шин — и адресной и шины данных — составляет всего 8 бит. И кратко рассмотрим компоненты этого сравнительно простого микропроцессора:

• Регистры A, B и C являются логическими микросхемами, используемыми для промежуточного хранения данных
• Address latch (защелка адреса) подобна регистрам A, B и C
• Счетчик команд является логической микросхемой (защелкой), способной приращивать значение на единицу за один шаг (если им получена соответствующая команда) и обнулять значение (при условии получения соответствующей команды)
• ALU (арифметико-логическое устройство) может осуществлять между 8-битными числами действия сложения, вычитания, умножения и деления или выступать в роли обычного сумматора
• Test register (тестовый регистр) является специальной защелкой, которая хранит результаты операций сравнения, производимых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно из них больше другого. Тестовый регистр способен также хранить бит переноса последнего действия сумматора. Он хранит эти значения в триггерной схеме. В дальнейшем эти значения могут использоваться дешифратором команд для принятия решений
• Шесть блоков на диаграмме отмечены, как «3-State». Это буферы сортировки. Множество источников вывода могут быть соединены с проводом, но буфер сортировки позволяет только одному из них (в один момент времени) передавать значение: «0» или «1». Таким образом буфер сортировки умеет пропускать значения или перекрывать источнику вывода возможность передавать данные
• Регистр команд (instruction register) и дешифратор команд (instruction decoder) держат все вышеперечисленные компоненты под контролем

На данной диаграмме не отображены линии управления дешифратора команд, которые можно выразить в виде следующих «приказов»:

• «Регистру A принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру B принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру C принять значение, поступающее в настоящий момент от арифметико-логического устройства»
• «Регистру счетчика команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Адресному регистру принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Счетчику команд увеличить значение [на единицу]»
• «Счетчику команд обнулиться»
• «Активировать один из из шести буферов сортировки» (шесть отдельных линий управления)
• «Сообщить арифметико-логическому устройству, какую операцию ему выполнять»
• «Тестовому регистру принять тестовые биты из АЛУ»
• «Активировать RD (канал чтения)»
• «Активировать WR (канал записи)»

В дешифратор команд поступают биты данных из тестового регистра, канала синхронизации, а также из регистра команд. Если максимально упростить описание задач дешифратора инструкций, то можно сказать, что именно этот модуль «подсказывает» процессору, что необходимо сделать в данный момент.

Память микропроцессора

Знакомство с подробностями, касающимися компьютерной памяти и ее иерархии помогут лучше понять содержание этого раздела.

Выше мы писали о шинах (адресной и данных), а также о каналах чтения (RD) и записи (WR). Эти шины и каналы соединены с памятью: оперативной (ОЗУ, RAM) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). В нашем примере рассматривается микропроцессор, ширина каждой из шин которого составляет 8 бит. Это значит, что он способен выполнять адресацию 256 байт (два в восьмой степени). В один момент времени он может считывать из памяти или записывать в нее 8 бит данных. Предположим, что этот простой микропроцессор располагает 128 байтами ПЗУ (начиная с адреса 0) или 128 байтами оперативной памяти (начиная с адреса 128).

Модуль постоянной памяти содержит определенный предварительно установленный постоянный набор байт. Адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, который следует передать шине данных. Когда канал чтения (RD) меняет свое состояние, модуль ПЗУ предоставляет запрошенный байт шине данных. То есть в данном случае возможно только чтение данных.

Из оперативной памяти процессор может не только считывать информацию, он способен также записывать в нее данные. В зависимости от того, чтение или запись осуществляется, сигнал поступает либо через канал чтения (RD), либо через канал записи (WR). К сожалению, оперативная память энергозависима. При отключении питания она теряет все размещенные в ней данные. По этой причине компьютеру необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.

Более того, теоретически компьютер может обойтись и вовсе без оперативной памяти. Многие микроконтроллеры позволяют размещать необходимые байты данных непосредственно в чип процессора. Но без ПЗУ обойтись невозможно. В персональных компьютерах ПЗУ называется базовой системой ввода и вывода (БСВВ, BIOS, Basic Input/Output System). Свою работу при запуске микропроцессор начинает с выполнения команд, найденных им в BIOS.

Команды BIOS выполняют тестирование аппаратного обеспечения компьютера, а затем они обращаются к жесткому диску и выбирают загрузочный сектор. Этот загрузочный сектор является отдельной небольшой программой, которую BIOS сначала считывает с диска, а затем размещает в оперативной памяти. После этого микропроцессор начинает выполнять команды расположенного в ОЗУ загрузочного сектора. Программа загрузочного сектора сообщает микропроцессору о том, какие данные (предназначенные для последующего выполнения процессором) следует дополнительно переместить с жесткого диска в оперативную память. Именно так происходит процесс загрузки процессором операционной системы.

Инструкции микропроцессора

Даже простейший микропроцессор способен обрабатывать достаточно большой набор инструкций. Набор инструкций является своего рода шаблоном. Каждая из этих загружаемых в регистр команд инструкций имеет свое значение. Людям непросто запомнить последовательность битов, поэтому каждая инструкция описывается в виде короткого слова, каждое из которых отражает определенную команду. Эти слова составляют язык ассемблера процессора. Ассемблер переводит эти слова на понятный процессору язык двоичных кодов.

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

• LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
• LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
• CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
• SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
• SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
• ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
• MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
• DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
• COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
• JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
• STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

Работа микропроцессора на примере вычисления факториала

Рассмотрим работу микропроцессора на конкретном примере выполнения им простой программы, которая вычисляет факториал от числа «5». Сначала решим эту задачку «в тетради»:

факториал от 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120

На языке программирования C этот фрагмент кода, выполняющего данное вычисление, будет выглядеть следующим образом:


a=1;f=1;while (a < = 5){ f = f * a; a = a + 1;}

Когда эта программа завершит свою работу, переменная f будет содержать значение факториала от пяти.

Компилятор C транслирует (то есть переводит) этот код в набор инструкций языка ассемблера. В рассматриваемом нами процессоре оперативная память начинается с адреса 128, а постоянная память (которая содержит язык ассемблера) начинается с адреса 0. Следовательно, на языке данного процессора эта программа будет выглядеть так:


// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // if a > 5 the jump to 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // loop back to if17 STOP


Теперь возникает следующий вопрос: а как же все эти команды выглядят в постоянной памяти? Каждая из этих инструкций должна быть представлена в виде двоичного числа. Чтобы упростить понимание материала, предположим, что каждая из команд языка ассемблера рассматриваемого нами процессора имеет уникальный номер:

• LOADA — 1
• LOADB — 2
• CONB — 3
• SAVEB — 4
• SAVEC mem — 5
• ADD — 6
• SUB — 7
• MUL — 8
• DIV — 9
• COM — 10
• JUMP addr — 11
• JEQ addr — 12
• JNEQ addr — 13
• JG addr — 14
• JGE addr — 15
• JL addr — 16
• JLE addr — 17
• STOP — 18

Будем считать эти порядковые номера кодами машинных команд (opcodes). Их еще называют кодами операций. При таком допущении, наша небольшая программа в постоянной памяти будет представлена в таком виде:


// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 129Addr машинная команда/значение0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 12921 12922 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP


Как вы заметили, семь строчек кода на языке C были преобразованы в 18 строчек на языке ассемблера. Они заняли в ПЗУ 32 байта.

Декодирование

Разговор о декодировании придется начать c рассмотрения филологических вопросов. Увы, далеко не все компьютерные термины имеют однозначные соответствия в русском языке. Перевод терминологии зачастую шел стихийно, а поэтому один и тот же английский термин может переводиться на русский несколькими вариантами. Так и случилось с важнейшей составляющей микропроцессорной логики «instruction decoder». Компьютерные специалисты называют его и дешифратором команд и декодером инструкций. Ни одно из этих вариантов названия невозможно назвать ни более, ни менее «правильным», чем другое.

Дешифратор команд нужен для того, чтобы перевести каждый машинный код в набор сигналов, приводящих в действие различные компоненты микропроцессора. Если упростить суть его действий, то можно сказать, что именно он согласует «софт» и «железо».

Рассмотрим работу дешифратора команд на примере инструкции ADD, выполняющей действие сложения:

• В течение первого цикла тактовой частоты процессора происходит загрузка команды. На этом этапе дешифратору команд необходимо: активировать буфер сортировки для счетчика команд; активировать канал чтения (RD); активировать защелку буфера сортировки на пропуск входных данных в регистр команд
• В течение второго цикла тактовой частоты процессора команда ADD декодируется. На этом этапе арифметико-логическое устройство выполняет сложение и передает значение в регистр C
• В течение третьего цикла тактовой частоты процессора счетчик команд увеличивает свое значение на единицу (теоретически, это действие пересекается с происходившим во время второго цикла)

Каждая команда может быть представлена в виде набора последовательно выполняемых операций, которые в определенном порядке манипулируют компонентами микропроцессора. То есть программные инструкции ведут ко вполне физическим изменениям: например, изменению положения защелки. Некоторые инструкции могут потребовать на свое выполнение двух или трех тактовых циклов процессора. Другим может потребоваться даже пять или шесть циклов.

Микропроцессоры: производительность и тенденции

Количество транзисторов в процессоре является важным фактором, влияющим на его производительность. Как было показано ранее, в процессоре 8088 на выполнение одной инструкции требовалось 15 циклов тактовой частоты. А чтобы выполнить одну 16-битную операцию, уходило и вовсе порядка 80 циклов. Так был устроен умножитель АЛУ этого процессора. Чем больше транзисторов и чем мощнее умножитель АЛУ, тем больше всего успевает сделать процессор за один свой такт.

Многие транзисторы поддерживают технологию конвейеризации. В рамках конвейерной архитектуры происходит частичное наложение выполняемых инструкций друг на друга. Инструкция может требовать на свое выполнение все тех же пяти циклов, но если процессором одновременно обрабатываются пять команд (на разных этапах завершенности), то в среднем на выполнение одной инструкции потребуется один цикл тактовой частоты процессора.

Во многих современных процессорах дешифратор команд не один. И каждый из них поддерживает конвейеризацию. Это позволяет выполнять более одной инструкции за один такт процессора. Для реализации этой технологии требуется невероятное множество транзисторов.

64-битные процессоры

Хотя массовое распространение 64-битные процессоры получили лишь несколько лет назад, они существуют уже сравнительно давно: с 1992 года. И Intel, и AMD предлагают в настоящее время такие процессоры. 64-битным можно считать такой процессор, который обладает 64-битным арифметико-логическим устройством (АЛУ), 64-битными регистрами и 64-битными шинами.

Основная причина, по которой процессорам нужна 64-битность, состоит в том, что данная архитектура расширяет адресное пространство. 32-битные процессоры могут получать доступ только к двум или четырем гигабайтам оперативной памяти. Когда-то эти цифры казались гигантскими, но миновали годы и сегодня такой памятью никого уже не удивишь. Несколько лет назад память обычного компьютера составляла 256 или 512 мегабайт. В те времена четырехгигабайтный лимит мешал только серверам и машинам, на которых работают большие базы данных.

Но очень быстро оказалось, что даже обычным пользователям порой не хватает ни двух, ни даже четырех гигабайт оперативной памяти. 64-битных процессоров это досадное ограничение не касается. Доступное им адресное пространство в наши дни кажется бесконечным: два в шестьдесят четвертой степени байт, то есть что-то около миллиарда гигабайт. В обозримом будущем столь гигантской оперативной памяти не предвидится.

64-битная адресная шина, а также широкие и высокоскоростные шины данных соответствующих материнских плат, позволяют 64-битным компьютерам увеличить скорость ввода и вывода данных в процессе взаимодействия с такими устройствами, как жесткий диск и видеокарта. Эти новые возможности значительно увеличивают производительность современных вычислительных машин.

Но далеко не все пользователи ощутят преимущества 64-битной архитектуры. Она необходима, прежде всего, тем, кто занимается редактированием видео и фотографий, а также работает с различными большими картинками. 64-битные компьютеры по достоинству оценены ценителями компьютерных игр. Но те пользователи, которые с помощью компьютера просто общаются в социальных сетях и бродят по веб-просторам да редактируют текстовые файлы никаких преимуществ этих процессоров, скорее всего, просто не почувствуют.

По материалам computer.howstuffworks.com

Запрос «ЦП» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Центра́льный проце́ссор (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.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

История

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^[1] 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 памяти.

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 подпруживающую 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.

Перспективы

В ближайшие 10-20 лет, скорее всего, изменится материальная часть процессоров ввиду того, что технологический процесс достигнет физических пределов производства. Возможно, это будут:

• Оптические компьютеры — в которых вместо электрических сигналов обработке подвергаются потоки света (фотоны, а не электроны).

• Квантовые компьютеры, работа которых всецело базируется на квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабочих версий квантовых процессоров.

• Молекулярные компьютеры — вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, органических). Молекулярными компьютерами используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого^{[источник не указан 507 дней]} Джоном фон Нейманом.

Дж. фон Нейман придумал^{[источник не указан 507 дней]} схему постройки компьютера в 1946 году.

Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов.

Этапы цикла выполнения:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения.
2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных и сообщает о готовности.
3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её.
4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды остановка или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Конвейерная архитектура

Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

• получение и декодирование инструкции,
• адресация и выборка операнда из ОЗУ,
• выполнение арифметических операций,
• сохранение результата операции.

После освобождения -й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в ступеней займёт единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт единиц времени (так как для выполнения команды по-прежнему необходимо выполнять выборку, дешифровку и т. д.), и для исполнения команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения команд понадобится всего лишь единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

1. Простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (например, адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами).
2. Ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд — out-of-order execution).
3. Очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что повышает производительность процессора, но, однако, приводит к увеличению длительности простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода). Не существует единого мнения по поводу оптимальной длины конвейера: различные программы могут иметь существенно различные требования.

Суперскалярная архитектура

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора путем увеличения числа исполнительных устройств. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности, в то же время существует определенный предел роста числа исполнительных устройств, при превышении которого производительность практически перестает расти, а исполнительные устройства простаивают. Частичным решением этой проблемы являются, например, технология Hyper-threading.

CISC-процессоры

Complex instruction set computer — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC являются микропроцессоры семейства x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд: в начале процесса исполнения сложные команды разбиваются на более простые микрооперации (МОП), исполняемые RISC-ядром).

RISC-процессоры

Reduced instruction set computer — вычисления с упрощённым набором команд (в литературе слово reduced нередко ошибочно переводят как «сокращённый»). Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд, характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Упрощение набора команд призвано сократить конвейер, что позволяет избежать задержек на операциях условных и безусловных переходов. Однородный набор регистров упрощает работу компилятора при оптимизации исполняемого программного кода. Кроме того, RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением.

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

MISC-процессоры

Minimum instruction set computer — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. 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.

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Первым многоядерным микропроцессором стал POWER4 от IBM, появившийся в 2001 году и имевший два ядра.

В октябре 2004 года Sun Microsystems выпустила двухъядерный процессор UltraSPARC IV, который состоял из двух модифицированных ядер UltraSPARC III. В начале 2005 был создан двухъядерный UltraSPARC IV+.

14 ноября 2005 года Sun выпустила восьмиядерный UltraSPARC T1, каждое ядро которого выполняло 4 потока.

5 января 2006 года Intel представила первый двухъядерный процессор на одном кристале Core Duo, для мобильной платформы.

В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший объём кэша и рабочие частоты.

В октябре 2007 года в продаже появились восьмиядерные UltraSPARC T2, каждое ядро выполняло 8 потоков.

10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла) четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona.^[2] 19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для домашних компьютеров AMD Phenom.^[3] Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, первые четырёхъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхъядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач^{[источник не указан 1184 дня]}.

К 1-2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти (типа DDR3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объём кэша (по сравнению с первым поколением Phenom), процессоры стали изготавливаться по 45-нм техпроцессу (это, соответственно, позволило снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты). В целом, AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстаёт от Intel Core i7^{[источник не указан 1193 дня]}. С выходом 6-ядерного процессора AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T ситуация немного изменилась в пользу AMD.

На данный момент^{[когда?]} массово доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами, а также 2, 3 и 4-модульные процессоры AMD поколения Bulldozer. В серверном сегменте также доступны 8-ядерные процессоры Xeon и Nehalem (Intel) и 12-ядерные Opteron (AMD).^[4]

Кэширование

Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэша, англ. cache) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней (обозначаются L1, L2 и L3 — от Level 1, Level 2 и Level 3). Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того, кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить одновременно 64-битные запись и чтение, либо два 64-битных чтения за такт, AMD K8L может производить два 128-битных чтения или записи в любой комбинации. Процессоры Intel Core 2 могут производить 128-битные запись и чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большую латентность доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура отличается от архитектуры фон Неймана тем, что программный код и данные хранятся в разной памяти. В такой архитектуре невозможны многие методы программирования (например, программа не может во время выполнения менять свой код; невозможно динамически перераспределять память между программным кодом и данными); зато гарвардская архитектура позволяет более эффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она часто применяется во встраиваемых системах.

Параллельная архитектура

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна):

• SISD — один поток команд, один поток данных;
• SIMD — один поток команд, много потоков данных;
• MISD — много потоков команд, один поток данных;
• MIMD — много потоков команд, много потоков данных.

Цифровые сигнальные процессоры

Для цифровой обработки сигналов, особенно при ограниченном времени обработки, применяют специализированные высокопроизводительные сигнальные микропроцессоры (DSP) с параллельной архитектурой.

Процесс изготовления

Первоначально перед разработчиками ставится техническое задание, исходя из которого принимается решение о том, какова будет архитектура будущего процессора, его внутреннее устройство, технология изготовления. Перед различными группами ставится задача разработки соответствующих функциональных блоков процессора, обеспечения их взаимодействия, электромагнитной совместимости. В связи с тем, что процессор фактически является цифровым автоматом, полностью отвечающим принципам булевой алгебры, с помощью специализированного программного обеспечения, работающего на другом компьютере, строится виртуальная модель будущего процессора. На ней проводится тестирование процессора, исполнение элементарных команд, значительных объёмов кода, отрабатывается взаимодействие различных блоков устройства, ведётся оптимизация, ищутся неизбежные при проекте такого уровня ошибки.

После этого из цифровых базовых матричных кристаллов и микросхем, содержащих элементарные функциональные блоки цифровой электроники, строится физическая модель процессора, на которой проверяются электрические и временные характеристики процессора, тестируется архитектура процессора, продолжается исправление найденных ошибок, уточняются вопросы электромагнитной совместимости (например, при практически рядовой тактовой частоте в 10 ГГц отрезки проводника длиной в 7 мм уже работают как излучающие или принимающие антенны).

Затем начинается этап совместной работы инженеров-схемотехников и инженеров-технологов, которые с помощью специализированного программного обеспечения преобразуют электрическую схему, содержащую архитектуру процессора, в топологию кристалла. Современные системы автоматического проектирования позволяют, в общем случае, из электрической схемы напрямую получить пакет трафаретов для создания масок. На этом этапе технологи пытаются реализовать технические решения, заложенные схемотехниками, с учётом имеющейся технологии. Этот этап является одним из самых долгих и сложных в разработке и иногда требует компромиссов со стороны схемотехников по отказу от некоторых архитектурных решений. Следует отметить, что ряд производителей заказных микросхем (foundry) предлагает разработчикам (дизайн-центру или fabless) компромиссное решение, при котором на этапе конструирования процессора используются представленные ими стандартизованные в соответствии с имеющейся технологией библиотеки элементов и блоков (Standard cell). Это вводит ряд ограничений на архитектурные решения, зато этап технологической подгонки фактически сводится к игре в конструктор «Лего». В общем случае, изготовленные по индивидуальным проектам микропроцессоры являются более быстрыми по сравнению с процессорами, созданными на основании имеющихся библиотек.

Следующим, после этапа проектирования, является создание прототипа кристалла микропроцессора. При изготовлении современных сверхбольших интегральных схем используется метод литографии. При этом, 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. Создание этих элементов на микросхеме отдельно, в общем случае, не выгодно. 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, в общем случае, крепится теплоотвод кристалла и крышка микросхемы.

Затем начинается этап тестирования прототипа процессора, когда проверяется его соответствие заданным характеристикам, ищутся оставшиеся незамеченными ошибки. Только после этого микропроцессор запускается в производство. Но даже во время производства идёт постоянная оптимизация процессора, связанная с совершенствованием технологии, новыми конструкторскими решениями, обнаружением ошибок.

Следует отметить, что параллельно с разработкой универсальных микропроцессоров, разрабатываются наборы периферийных схем ЭВМ, которые будут использоваться с микропроцессором и на основе которых создаются материнские платы. Разработка микропроцессорного набора (чипсета, англ. chipset) представляет задачу, не менее сложную, чем создание собственно микросхемы микропроцессора.

В последние несколько лет наметилась тенденция переноса части компонентов чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в состав процессора (подробнее см.: Система на кристалле).

Энергопотребление процессоров

С технологией изготовления процессора тесно связано и его энергопотребление.

Первые процессоры архитектуры x86 потребляли мизерное (по современным меркам) количество энергии, составляющее доли ватта. Увеличение количества транзисторов и повышение тактовой частоты процессоров привело к существенному росту данного параметра. Наиболее производительные модели требуют до 130 и более ватт. Несущественный на первых порах фактор энергопотребления, сейчас оказывает серьёзное влияние на эволюцию процессоров:

• 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), большинство которых предназначено для питания процессора. 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.

Тепловыделение процессоров и отвод тепла

Для теплоотвода от микропроцессоров применяются пассивные радиаторы и активные кулеры.

Измерение и отображение температуры микропроцессора

Для измерения температуры микропроцессора, обычно внутри микропроцессора, в области центра крышки микропроцессора устанавливается датчик температуры микропроцессора. В микропроцессорах Intel датчик температуры — термодиод или транзистор с замкнутыми коллектором и базой в качестве термодиода, в микропроцессорах AMD — терморезистор.

Производители

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, сходные с используемыми в процессорах компании Intel.

Среди процессоров от Intel: 8086, i286, i386, i486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i3, Core i5, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др. AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 — Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.). Процессоры IBM (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple.

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 %.^[5]

Доли по годам:

СССР/Россия

Основная статья: Российские микропроцессоры

В советское время одним из самых востребованных из-за его непосредственной простоты и понятности, стал задействованный в учебных целях МПК КР580 — набор микросхем, копия набора микросхем Intel 82xx. Использовался в отечественных компьютерах, таких как Радио 86РК, ЮТ-88, Микроша и т. д.

Разработкой микропроцессоров в России занимаются ЗАО «МЦСТ», НИИСИ РАН и ЗАО «ПКК Миландр». Также разработку специализированных микропроцессоров, ориентированных на создание нейронных систем и цифровую обработку сигналов, ведут НТЦ «Модуль» и ГУП НПЦ «ЭЛВИС». Ряд серий микропроцессоров также производит ОАО «Ангстрем».

НИИСИ разрабатывает процессоры серии Комдив на основе архитектуры MIPS. Техпроцесс — 0,5 мкм, 0,3 мкм; КНИ.

• КОМДИВ32 (англ.), 1890ВМ1Т, в том числе в варианте КОМДИВ32-С (5890ВЕ1Т), стойком к воздействию факторов космического пространства (ионизирующему излучению)
• КОМДИВ64 (англ.), КОМДИВ64-СМП
• Арифметический сопроцессор КОМДИВ128

ЗАО ПКК Миландр разрабатывает 16-разрядный процессор цифровой обработки сигналов и 2-ядерный процессор:

• 2011 год, 1967ВЦ1Т^[7] — 16-разрядный процессор цифровой обработки сигналов, частота 50 МГц, КМОП 0,35 мкм
• 2011 год, 1901ВЦ1Т — 2-ядерный процессор, DSP (100 МГц) и RISC (100 МГц), КМОП 0,18 мкм

НТЦ «Модуль» разработал и предлагает микропроцессоры семейства NeuroMatrix:^[8]

• 1998 год, 1879ВМ1 (NM6403) — высокопроизводительный специализированный микропроцессор цифровой обработки сигналов с векторно-конвейерной VLIW/SIMD архитектурой. Технология изготовления — КМОП 0,5 мкм, частота 40 МГц.
• 2007 год, 1879ВМ2 (NM6404) — модификация 1879ВМ1 с увеличенной до 80 МГц тактовой частотой и 2Мбитным ОЗУ, размещённым на кристалле процессора. Технология изготовления — 0,25 мкм КМОП.
• 2009 год, 1879ВМ4 (NM6405) — высокопроизводительный процессор цифровой обработки сигналов с векторно-конвейерной VLIW/SIMD архитектурой на базе запатентованного 64-разрядного процессорного ядра NeuroMatrix. Технология изготовления — 0,25 мкм КМОП, тактовая частота 150 МГц.

• СБИС 1879ВМ3 — программируемый микроконтроллер с ЦАП и АЦП. Частота выборок до 600 МГц (АЦП) и до 300 МГц (ЦАП). Максимальная тактовая частота 150 МГц.^[9]

ГУП НПЦ ЭЛВИС разрабатывает и производит микропроцессоры серии «Мультикор»^[10], отличительной особенностью которых является несимметричная многоядерность. При этом физически в одной микросхеме содержатся одно CPU RISC-ядро с архитектурой MIPS32, выполняющее функции центрального процессора системы, и одно или более ядер специализированного процессора-акселератора для цифровой обработки сигналов с плавающей/фиксированной точкой ELcore-xx (ELcore = Elvees’s core), основанного на «гарвардской» архитектуре. CPU-ядро является ведущим в конфигурации микросхемы и выполняет основную программу. Для CPU-ядра обеспечен доступ к ресурсам DSP-ядра, являющегося ведомым по отношению к CPU-ядру. CPU микросхемы поддерживает ядро ОС Linux 2.6.19 или ОС жесткого реального времени QNX 6.3 (Neutrino).

• 2004 год, 1892ВМ3Т (MC-12) — однокристальная микропроцессорная система с двумя ядрами. Центральный процессор — MIPS32, сигнальный сопроцессор — SISD ядро ELcore-14. Технология изготовления — КМОП 250 нм, частота 80 МГц. Пиковая производительность 240 MFLOPs (32 бита).
• 2004 год, 1892ВМ2Я (MC-24) — однокристальная микропроцессорная система с двумя ядрами. Центральный процессор — MIPS32, сигнальный сопроцессор — SIMD ядро ELcore-24. Технология изготовления — КМОП 250 нм, частота 80 МГц. Пиковая производительность 480 MFLOPs (32 бита).
• 2006 год, 1892ВМ5Я (MC-0226) — однокристальная микропроцессорная система с тремя ядрами. Центральный процессор — MIPS32, 2 сигнальных сопроцессора — MIMD ядро ELcore-26. Технология изготовления — КМОП 250 нм, частота 100 МГц. Пиковая производительность 1200 MFLOPs (32 бита).
• 2008 год, NVCom-01 («Навиком») — однокристальная микропроцессорная система с тремя ядрами. Центральный процессор — MIPS32, 2 сигнальных сопроцессора — MIMD DSP-кластер DELCore-30 (Dual ELVEES Core). Технология изготовления — КМОП 130 нм, частота 300 МГц. Пиковая производительность 3600 MFLOPs (32 бита). Разработан в качестве телекоммуникационного микропроцессора, содержит встроенную функцию 48-канальной ГЛОНАСС/GPS навигации.
• 2012 год, «Навиком-02T» — однокристальная микропроцессорная система с тремя ядрами. Архитектура микропроцессора — трёхъядерная гетерогенная. Ведущий процессор — MIPS32, сигнальныЙ сопроцессор — MIMD-типа на базе ядер из библиотеки платформы «МУЛЬТИКОР», программируемое ядро сигнального процессора, организованного как двухпроцессорный кластер DSP с плавающей и фиксированной точкой, дополненный многоканальным коррелятором для ГЛОНАСС/GPS-навигации. DSP-кластер следующего поколения имеет ряд новых возможностей, в том числе: набор графических команд; аппаратный ускоритель кодера Хаффмана; возможность отработки DSP внешних прерываний; возможность доступа DSP-ядер к внешнему адресному пространству; гибкая граница программной памяти кластера DSP; прерывания от исключительных ситуаций при операциях с числами с плавающей запятой. Технология изготовления — КМОП 130 нм, частота 250 МГц. Пиковая производительность — 4000 MFLOPs (32 бита) и 24000 MOPs в формате фиксированной точки int8. Имеет пониженную потребляемую мощность.

В качестве перспективного проекта НПЦ ЭЛВИС представлен MC-0428 — процессор MultiForce — однокристальная микропроцессорная система с одним центральным процессором и четырьмя специализированными ядрами. Технология изготовления — КМОП 130 нм, частота — до 340 МГц. Пиковая производительность ожидается не менее 8000 MFLOPs (32 бита).

ОАО «Ангстрем» производит (не разрабатывает) следующие серии микропроцессоров:

• 1839 — 32-разрядный VAX-11/750-совместимый микропроцессорный комплект из 6 микросхем. Технология изготовления — КМОП, тактовая частота 10 МГц.
• 1836ВМ3 — 16-разрядный LSI-11/23-совместимый микропроцессор. Программно совместим с PDP-11 фирмы DEC. Технология изготовления — КМОП, тактовая частота 16 МГц.
• 1806ВМ2 — 16-разрядный LSI/2-совместимый микропроцессор. Программно совместим с LCI-11 фирмы DEC.Технология изготовления — КМОП, тактовая частота 5 МГц.
• Л1876ВМ1 32-разрядный RISC микропроцессор. Технология изготовления — КМОП, тактовая частота 25 МГц.

Из собственных разработок Ангстрема можно отметить однокристальную 8-разрядную RISC микроЭВМ Тесей.

Компанией МЦСТ разработано и внедрено в производство семейство универсальных SPARC-совместимых RISC-микропроцессоров с проектными нормами 90, 130 и 350 нм и частотами от 150 до 1000 МГц (подробнее см. статью о серии — МЦСТ-R и о вычислительных комплексах на их основе Эльбрус-90микро). Также разработан VLIW-процессор Эльбрус с оригинальной архитектурой ELBRUS, используется в комплексах Эльбрус-3М1). Прошел государственные испытания и рекомендован к производству новый процессор Эльбрус-2С+ отличающийся от процессора Эльбрус тем, что содержит два ядра на архитектуре VLIW и четыре ядра DSP (Elcore-09). Основные потребители российских микропроцессоров — предприятия ВПК.

Китай

• Семейство Loongson (Godson)
• Семейство ShenWei (SW)

Япония

• NEC VR (MIPS, 64 bit)
• Hitachi VR (RISC)^[11]

Определение модели

В Linux определить модель и параметры установленного процессора, не открывая корпуса, можно прочитав файл /proc/cpuinfo.

В операционных системах Windows узнать модель установленного процессора, тактовую частоту, количество ядер и т. д. можно, например, через программу dxdiag.

См. также

• Сопроцессор
• Криптопроцессор
• Аппаратная платформа компьютера

Примечания

Литература

• Скотт Мюллер. Модернизация и ремонт ПК = Upgrading and Repairing PCs. — 17-е изд. — М.: Вильямс, 2007. — С. 59—241. — ISBN 0-7897-3404-4

Ссылки

• Краткая история процессоров: 31 год из жизни архитектуры х86
• Правительство обнулило пошлины на процессоры 18 сентября 2007
• Крис Касперски. RISC vs. CISC
• Процессор энциклопедия Алфёрова
• Сравнение производительности процессоров (http://www.cpubenchmark.net)
• Сравнение производительности мобильных процессоров (www.notebookcheck-ru.com)
• Исследование эффективности ALU и FPU процессоров разных поколений от TestLabs.kz

Технологии цифровых процессоров
Архитектура	CISC · EDGE · EPIC · MISC · URISC · RISC · VLIW · ZISC · Фон Неймана · Гарвардская 8 бит  · 16 бит · 32 бит · 64 бит · 128 бит
Параллелизм	Pipeline Конвейер · In-Order & Out-of-Order execution · Переименование регистров · Speculative execution Уровни Бит · Инструкций · Суперскалярность · Данных · Задач Потоки Многопоточность · Simultaneous multithreading · Hyperthreading · Superthreading · Аппаратная виртуализация Классификация Флинна SISD · SIMD · MISD · MIMD
Реализации	DSP · GPU · SoC · PPU · Векторный процессор · Математический сопроцессор • Микропроцессор · Микроконтроллер
Компоненты	Barrel shifter · FPU · BSB · MMU · TLB · Регистровый файл · control unit · АЛУ • Демультиплексор · Мультиплексор · Микрокод · Тактовая частота • Корпус • Регистры • Кэш (Кэш процессора)
Управление питанием	APM · ACPI · Clock gating · Динамическое изменение частоты • Динамическое изменение напряжения

Компоненты персонального компьютера
Системный блок	Блок питания • Охлаждение • Материнская плата • Процессор • Шины • Видеокарта • Звуковая карта • Сетевая плата
Память	Оперативная память • Запоминающее устройство с произвольным доступом
Носители и дисководы	Жёсткий диск • Твердотельный накопитель (Флеш-память • USB-флеш) • Оптический привод (CD • DVD • BD) • НГМД (Дискета) • Стример • Кардридер
Вывод	Динамик • Монитор • Принтер • Графопостроитель (плоттер)
Ввод	Клавиатура • Мышь • Трекбол • TrackPoint • Тачпад • Сенсорный экран • Цифровая ручка • Световое перо • Графический планшет • Микрофон • Сканер • Веб-камера
Игры	Джойстик • Руль • Штурвал • Педали • Пистолет • Paddle • Геймпад • Дэнспад • Трекер
Прочее	Модем • ТВ-тюнер • Сетевой фильтр • ИБП

Микроконтроллеры
Архитектура	8-бит MCS-51 • MCS-48 • PIC • AVR • Z8 • H8 • COP8 • 68HC08 • 68HC11 16-бит MSP430 • MCS-96 • MCS-296 • PIC24 • MAXQ • Nios • 68HC12 • 68HC16 32-бит ARM • MIPS • AVR32 • PIC32 • 683XX • M32R • SuperH • Nios II • Am29000 • LatticeMico32 • MPC5xx • PowerQUICC • Parallax Propeller
Производители	Analog Devices • Atmel • Silabs • Freescale • Fujitsu • Holtek • Hynix • Infineon • Intel • Microchip • Maxim • Parallax • NXP Semiconductors • Renesas • Texas Instruments • Toshiba • Ubicom • Zilog • Cypress
Компоненты	Регистр • Процессор • SRAM • EEPROM • Флеш-память • Кварцевый резонатор • Кварцевый генератор • RC-генератор • Корпус
Периферия	Таймер • АЦП • ЦАП • Компаратор • ШИМ-контроллер • Счётчик • LCD • Датчик температуры • Watchdog Timer
Интерфейсы	CAN • UART • USB • SPI • I²C • Ethernet • 1-Wire
ОС	FreeRTOS • μClinux • BeRTOS • ChibiOS/RT • eCos • RTEMS • Unison • MicroC/OS-II • Nucleus
Программирование	JTAG • C2 • Программатор • Ассемблер • Прерывание • MPLAB • AVR Studio • MCStudio

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Создание персонального компьютера (ПК) относится к одному из самых значительных изобретений прошлого столетия. С введением в массовую эксплуатацию компьютеров изменились процессы практически во всех сферах жизни общества: образовании, медицине, в промышленности и сельском хозяйстве, а также в деятельности целых государств. Практически все элементы международной коммуникации на данный момент зависят от компьютерного обеспечения, будь то торговля, банковское или даже военное дело. Все это говорит о том, что персональный компьютер является ядром полноценной жизни в информационном сообществе, а также успешной профессиональной деятельности человека. Сейчас нам трудно представить мир без возможности преобразования, обработки и передачи данных на таком уровне, который обеспечивают мощности современных ПК. Такие возможности компьютеров обусловлены развитием и совершенствованием их центральной части – процессора, способного совершать миллиарды операций в секунду.

Центральный процессор персонального компьютера – это электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции, главная часть аппаратного обеспечения компьютера.

Так как процессор является центральным вычислительным элементом любого компьютера, вся работа используемых нами персональных компьютеров базируется на нём.

Таким образом, значение центрального процессора как главного устройства компьютера для современного человека крайне велико, что обуславливает выбор темы курсовой работы.

Объект курсовой работы – процессор персонального компьютера.

Предметом работы выступают характеристики процессора персонального компьютера: его назначение и выполняемые им функции, а также классификация процессоров в зависимости от конкретных характеристик.

Целью данной работы является изучение процессора персонального компьютера как основного его элемента.

Для достижения целей работы необходимо выполнить следующие задачи:

1. Исследовать основные понятия, определяющие работу центрального процессора, его назначение;
2. Определить функции, выполняемые процессором;
3. Изучить основы устройства процессоров, принципы их работы, ключевые параметры и особенности;
4. Описать основные характеристики процессоров;
5. Составить классификацию современных процессоров.

Написание курсовой работы базируется на изучении теоретических учебных материалов, имеющихся в открытом доступе в сети Интернет и государственных библиотеках. В качестве основного источника информации был выбран энциклопедический систематизированный словарь-справочник «Введение в современные информационные и телекоммуникационные технологии в терминах и фактах» Феликса Семёновича Воройского. Выбор данного справочника обусловлен тем, что его структура и содержание позволяют систематизированно изучить необходимые материалы, касающиеся процессора персонального компьютера и получить полную и достоверную информацию о нём.

Выводы о надёжности источника и достоверности информации в нём можно сделать на основании следующих фактов:

1. Справочник составлен кандидатом технических наук, профессором Ф.С. Воройским, ныне работающим в Государственной публичной научно-технической библиотеке России.
2. Основной ресурс, в котором были опубликованы данные материалы – это Издательство физико-математической и технической литературы, ведущее научное академическое издательство, которое выпускает учебную литературу для ВУЗов, ВТУЗов и организаций дополнительного образования, а также научную и справочную литературу во всех областях физики и математики. 

На основании данного справочника строилась логика работы и формировалась основная база знаний по предмету курсовой работы, необходимая для оценки также и других источников информации. Помимо словаря-справочника для формирования основных понятий и суждений относительно процессоров использовались следующие источники:

1. Новейший самоучитель работы  на компьютере авторов А. Алексеева, Г. Евсеева, В. Мураховского и С. Симоновича, дающий подробную информацию об аппаратном обеспечении персонального компьютера в целом и устройстве процессора в частности;
2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей «Автоматизация и управление» А.В. Кузина и С.А. Песковой.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССОРЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

1.1 История создания

Впервые о процессорах стало известно в 1950-х годах. Они состояли из электромеханических реле, ферритовых сердечников и вакуумных ламп, которые устанавливались в модули, собранные в стойки. Большое количество таких стоек соединялось проводниками и представляло собой процессор того времени. Затем в качестве элементов процессора использовали электронные лампы и транзисторы, которые монтировались на платы, по виду уже близкие к современным.

Все компоненты отвечали за процесс вычисления и были очень массивными, так как процессоры создавались в виде уникальных составных частей для таких же уникальных и даже единственных в своём роде компьютерных систем. Позднее производители начали задумываться о переходе от узкоспециализированных процессоров к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Благодаря расположению элементов процессора на одной микросхеме можно было создать устройство, которое подходило бы для использования на самых разных  видах оборудования, применяемых для совершения вычислительных процессов.

Идея была реализована в конце шестидесятых годов двадцатого века. Компания Busicom начала разработку своего нового настольного калькулятора, для чего она заказала 12 микросхем у компании Intel. Разработчики Intel увидели возможность значительно сэкономить на соединении нескольких микросхем в единое целое и в 1971 году создали первый в мире микропроцессор под названием Intel 4004^[1], он изображён на рисунке 1.1. У него была способность совершать сразу шесть десятков тысяч операций всего за одну секунду.

Рисунок 1.1 – Первый в мире микропроцессор Intel 4004.

Первое официальное сообщение о создании микропроцессора появилось в 1972 г.

С середины 1980-х годов микропроцессоры стали значительно преобладать над прочими видами процессоров, вследствие чего данный термин всё чаще и чаще воспринимался просто как синоним слова «процессор». Однако, по своей сути это далеко не одно и то же, ведь даже сейчас центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров  являются сложными комплексами больших и сверхбольших интегральных схем.

На момент создания первого микропроцессора ещё не было возможности использовать его для компьютеров, поскольку таковых попросту не существовало, сфера его применения ограничивалась терминалами и программируемыми калькуляторами. По это причине изначально понятие «центральное процессорное устройство» относилось к специализированному классу логических машин, которые были предназначены для реализации сложнейших трудоёмких компьютерных программ. Позднее, из-за соответствия этих задач функциям компьютерных процессоров того времени, это понятие было перенесено и на компьютеры.

Следующим шагом в развитии микропроцессоров стало создание в 1974 году Intel 8080. Новый 8-битный процессор содержал уже 6000 транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти^[2]. Кроме того, это был первый микропроцессор, который мог делить числа. Именно он стал основой для создания первого персонального компьютера Altair 8800. 

С течением времени структура, архитектура и исполнение самих процессоров много раз подвергались изменениям и доработкам, но основное его предназначение до сих пор остаётся прежним.

1.2 Назначение процессора и основные понятия, определяющие его работу

Процессор (центральное процессорное устройство – Central Processing Unit, CPU) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой^[3]. Программа прописывается кодами операций — двоичными кодами, составленными из последовательностей нулей и единиц, и хранится в оперативном запоминающем устройстве компьютера (ОЗУ). Коды операций, в свою очередь, считываются и интерпретируются непосредственно процессором вычислительной машины.

Процессор управляет последовательностью вычислений и координирует работу всех остальных устройств компьютера. Другими словами, центральный процессор персонального компьютера (ПК) — это главная часть аппаратного обеспечения компьютера или другой специальной электронной вычислительной машины. Без команды, отданной процессором, не может быть произведена даже такая простая операция, как сложение двух чисел или запись одного мегабайта информации — все эти действия требуют немедленного обращения к ЦП^[4].

Внешне он представляет собой небольшую пластину из полупроводникового материала, чаще всего кремния, с вмонтированной в неё интегральной схемой или так называемой микросхемой.

Один из современных микропроцессоров марки Intel представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Современный центральный процессор персонального компьютера Intel.

Микросхема или чип — это электронное вычислительное устройство, обрабатывающее информацию, представленную в виде двоичного кода. Микросхемы работают на основе транзисторов — радиоэлектронных элементов, управляющих входящим электротоком^[5].  Количество таких транзисторов в одном обычном чипе может достигать нескольких миллионов, вплоть до миллиарда. Размеры транзисторов диктует так называемый техпроцесс процессора — масштаб технологии, непосредственно определяющий размеры элементов, которые составляют основу внутреннего строения процессора.

Ядро, используемое в том или ином чипе – это часть процессора, выполняющая один поток команд. Оно определяет его производительность, энергопотребление и тактовую частоту. Процессоры, содержащие на одном кристалле или в одном корпусе несколько ядер, называются многоядерными^[6]. 

1.3 Характеристики процессоров

Основными характеристиками центрального процессорного устройства являются:

1. производительность;
2. тактовая частота
3. разрядность процессора;
4. количество ядер;
5. сокет (разъём);
6. размерность технологического процесса;
7. кэш-память процессора;
8. встроенное графическое ядро;
9. рабочая температура процессора;

Поочерёдно рассмотрим каждую характеристику.

1. Производительность

Производительность компьютера или, как её называют, вычислительная мощность характеризует быстроту исполнения некоторых операций на компьютере. Это интегральная характеристика, которая зависит от показателей частоты процессора, его разрядности, а так же особенностей архитектуры (наличия кэш-памяти и др.)^[7]. Производительность нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, т.е. определения скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

Как правило, она измеряется в так называемых «флопсах^[8]» (англ. FLOPS — FLoating-point Operations Per Second), которые представляют собой количество операций с плавающей запятой за определённое количество времени, чаще всего в секунду, а также производными от неё.

2. Тактовая частота.

Данная характеристика представляет собой количество операций, которые может выполнить процессор за определённый промежуток времени, измеряется в Герцах. Один герц — это скорость, при которой одна операция выполняется за одну секунду, а скорость современного компьютера измеряется в гигагерцах. 1 ГГц – это скорость, с которой процессор выполняет миллион простых задач.  Чем больше операций или тактов процессор выполняет за одну секунду, тем выше его производительность^[9].Тактовая частота заметно сказывается на быстроте работы ПК, но это не единственная метрика, которая влияет на его производительность. 

3. Разрядность процессора.

Разрядность — это конечное количество разрядов двоичного числа, над которым разово может производиться машинная операция передачи какой-либо информации. Таким образом, данный параметр определяет, какое количество бит информации обрабатывают регистры процессора за период одного такта. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет размер 2 байта, то разрядность процессора равна 16(8*2); если 4 байта, то 32, если 8 байт, то 64. Сейчас общая масса выпускаемых процессоров представлена в двух вариантах архитектуры регистров: 32 и 64 бита^[10], а подавляющее большинство мощных процессоров имеют разрядность в 64 бита и поддерживают от 4 гигабайт ОЗУ и выше^[11]. Эта характеристика также является одной из главных.

4. Количество ядер;

Ядро представляет собой часть процессора, способную выполнять один поток команд. Ядра отличаются по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. д. С развитием технологий производства процессоров появилась возможность размещать в одном корпусе более одного ядра, что значительно увеличивает производительность ЦПУ и помогает выполнять несколько задач одновременно, а также использовать несколько ядер в работе программ. Многоядерные процессоры быстрее справляются с архивацией данных, декодированием видео, работой современных видеоигр и т.д. На данный момент доступны процессоры с 2, 3, 4, 6 и даже 8 и более ядрами, но большое их количество используется в серверных решениях и не требуется рядовому пользователю ПК.

5. Сокет (разъём)

Сокет или гнездовой разъем – это вариант крепления процессорного устройства к материнской плате. В широком смысле он представляет собой программный интерфейс для обеспечения обмена данными между процессами, абстрактный объект, представляющий конечную точку соединения. Каждый разъем допускает установку исключительно конкретного типа процессоров, поэтому нужно сверять сокет выбранного пользователем процессора с определённой материнской платой.

6. Размерность технологического процесса

Технологический процесс, упомянутый в первом разделе, определяет размеры основных составных элементов процессора — транзисторы. Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов. Чем тоньше используемый техпроцесс, тем больше процессор содержит транзисторов, меньше потребляет электроэнергии и меньше греется. Также во многом от техпроцесса зависит еще одна важная характеристика процессора – так называемый TDP. Termal Design Point — показатель, отображающий энергопотребление процессора, а также количество тепла, выделяемого им в процессе работы^[12].

7. Кэш-память процессора

Кэш-память – это одна из главных характеристик центрального процессора, на которую необходимо обращать внимание при его выборе. Как упоминалось ранее, кэш используется для увеличения работы устройства в компьютере, путём создания буферной зоны, хранящей копию последнего массива данных, обработанного процессором^[13]. Это дает возможность быстро выполнить схожую операцию в случае необходимости, без траты времени на обращение к общей памяти персонального компьютера, следовательно, чем больше объем кэш-памяти — тем лучше.

8. Встроенное графическое ядро

Процессор может быть оснащен графическим ядром, которое отвечает за показ изображения на дисплей монитора, тогда он также будет играть роль видеокарты. В последнее десятилетие встроенные видеокарты подобного типа хорошо оптимизированы: они качественно выполняют основные программы и подходят для большинства игр на средних и минимальных настройках. Для работы в офисных приложениях, выполнения поиска информации в интернете и просмотра высококачественных видео такой видеокарты вполне достаточно^[14].

9. Рабочая температура процессора

Нормальная рабочая температура для любого процессора составляет до 45 ºC в режиме простоя и до 70 ºC при активной работе^[15]. Данные значения сильно усреднены, так как в расчет не берется год производства процессора и используемые технологии. Диапазон рабочих температур процессора, в первую очередь, зависит от его архитектуры, а также от нагрузки на процессор и качество отвода тепла. На данную характеристику необходимо обращать внимание в целях защиты процессора от перегревания.

На основании изучения характеристик современных процессоров можно выделить наиболее важные из них. К ним относятся те характеристики, которые напрямую влияют на производительность процессора: тактовая частота, разрядность и особенности архитектуры – строение кэш-памяти и количество ядер процессора.

В первой главе были изложены общие сведения о процессоре персонального компьютера, который являет собой главную часть аппаратного обеспечения компьютера, выполняющую арифметические и логические операции в соответствии с машинным кодом. Мы выяснили, что в основе процессора лежит микросхема, состоящая из множества транзисторов, а ядро, используемое в микросхеме, влияет на производительность, энергопотребление и тактовую частоту процессора.

После изучения истории создания процессора и его назначения можно сделать вывод о многофункциональности данного устройства и возможности его применения не только в производстве персональных компьютеров, но и во многих других электронно-вычислительных машинах.

ГЛАВА 2. ФУНКЦИИ ПРОЦЕССОРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ЕГО СТРОЕНИЕ

2.1 Основные функции процессора и элементы, отвечающие за их выполнение

В масштабах персонального компьютера в целом можно выделить две основные функции центрального процессора:

1. Обработка данных в соответствии с прописанной программой;

2. Программное управление работой всех устройств компьютера.

Обработка команд всегда включает в себя две составляющие: операционную и операндную. Операционная составляющая указывает, что в конкретный момент должна выполнить компьютерная система, а операндная определяет аргумент операции, то есть то, над чем должен совершить операцию процессор.

Во время совершения операций все современные процессоры следуют четырём основным шагам, которые иногда также рассматриваются как функции процессора: «выборка», «декодирование», «выполнение» и «хранение» (англ. fetch, decode, execute, store)^[16], которые в совокупности представляют собой цикл команд.

Для того, чтобы понять, каким образом выполняются функции процессора, необходимо рассмотреть его устройство со всеми составляющими элементами и распределение функциональных обязанностей между ними.

Функции процессора реализуются двумя основными его компонентами соответственно: арифметико-логическим устройством (АЛУ) и устройством управления (УУ) при использовании регистров процессорной памяти^[17]. Вместе АЛУ и УУ образуют вычислительное ядро процессора, упомянутое в предыдущем разделе^[18]. Принцип взаимодействия этих элементов можно понять благодаря упрощённой схеме процессора ПК, представленной на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Упрощённая схема процессора ПК.

Устройство управления руководит работой всех устройств компьютера, обеспечивая согласованность их функционирования, в соответствии с заданной программой. УУ извлекает последовательную команду из регистра команд, определяет, какие действия с данными необходимо совершить, после чего задает определённую последовательность действий выполнения поставленной задачи.

Арифметико-логическое устройство – это один из блоков процессора, который выполняет одну из главных функций процессора – обработку данных. АЛУ служит для выполнения арифметических и логических преобразований над данными, называемыми операндами.

Функционирование АЛУ регулируется устройством управления и в совокупности с ним логически образует собственно процессор ПК.
В состав «классических» систем АЛУ+УУ, как правило, входят регистры, сумматор и схемы управления.

Регистры — это внутренняя память процессора, состоящая из быстродействующих ячеек памяти. При использовании регистров процессор производит необходимые расчеты и сохраняет промежуточные результаты.

У каждого регистра есть определенное назначение, при этом существует несколько отдельных ценных регистров. Рассмотрим их по порядку.

1. Аккумулятор – это главный регистр процессора, большинство логических и арифметических операций осуществляется с его помощью. Любая из таких операций над двумя операндами предполагает размещение одного из них в аккумуляторе, а другого – в памяти или еще каком-либо регистре.

2. Сумматор – это регистр АЛУ, выполняющий процедуру сложения поступающих двоичных кодов и участвующий в выполнении каждой операции^[19];

3. Счетчик команд – это регистр УУ, который отслеживает, какие инструкции процессор должен выполнить в следующий раз при обработке данных, он служит для автоматической выборки программы из каждых последовательных ячеек памяти. Говоря простым языком, счётчик команд сообщает процессору, из какой именно ячейки оперативной памяти считывать очередную команду. После извлечения из оперативной памяти данная команда помещается в ячейку — регистр команд.

4. Регистр команд – это регистр УУ, который предназначен для хранения кода команды на тот отрезок времени, который необходим для ее выполнения. Полученный после выполнения команды результат может быть переписан из регистра в ячейку ОЗУ.

Ранее упомянутая схема управления – это устройство, которое принимает управляющие сигналы от УУ и преобразует их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ. Таким образом, главная функция схем управления – это декодирование команды, находящейся в регистре команд, посредством дешифратора команд, который в результате выдает сигналы, необходимые для выполнения команды. Можно сказать, что схемы управления – это маленький микропроцессор внутри микропроцессора^[20].

Все перечисленные устройства процессора обмениваются между собой информацией при помощи внутренней шины данных – она соединяет между собой АЛУ и регистры, осуществляя передачу данных внутри процессора. Каждый функциональный блок процессора всегда подключен к ней, но может воспользоваться размещёнными там данными только после получения соответствующего сигнала от схем управления^[21].

Перечисленные выше элементы считаются многими программистами минимальным набором, необходимым для функционирования процессора, но его деятельность невозможно представить без первичной памяти. К ней, как правило, относят постоянные и оперативные запоминающие устройства (ПЗУ и ОЗУ), а также кэш-память.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM, англ.) – это энергонезависимая память, которая используется для хранения массива неизменяемых данных – программ начальной загрузки компьютера и тестирования его узлов. Энергонезависимость ПЗУ означает, что записанная в ней информация остаётся неизменной после выключения компьютера.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM, англ.) – это энергозависимая память, предназначенная для хранения информации, изменяющейся в ходе выполнения процессором операций по ее обработке, используется как для чтения, так и для записи информации. Энергозависимость ОЗУ обусловлена использованием микросхем динамической и статической памяти, для которых сохранение бита информации означает сохранение электрического заряда^[22].

Также современные процессоры имеют свою внутреннюю кэш-память. Она используется для уменьшения времени простоя процессора и подгружает информацию из ОЗУ. Непосредственно с ядром связана сверхбыстрая но самая маленькая L1, потом идет промежуточная L2, и на внешнем уровне находится большая по объему, но менее скоростная L3^[23].

В общем случае обмен информацией между процессором и внутренней кэш-памятью производится из регистра в ячейку и обратно. Адрес ячейки, в которую направляется информация, передаваемая по шине данных, передается процессором по адресной шине.

Как мы видим на схеме, изображённой на рисунке 2.1, кэш-память процессора разделена на кэш данных и командную кэш-память. Такое разделение присутствует не везде, но используется для повышения скорости обмена информацией, касающейся инструкций. Оно основывается на предположении о том, что если инструкция была загружена из памяти, она, вероятно, будет использоваться снова. Для повышения производительности используется предварительно заданный шаблон доступа к командной кэш-памяти, который помогает обойти задержки, обеспечивая более быстрое и качественное выполнение инструкций^[24].

Блок предварительной выборки и блок предварительной декодировки, изображённые на рисунке 2.1, относятся к подсистеме выборки команд. Блок предвыборки кодов осуществляет заполнение очереди команд, а блок предшифрации команд осуществляет саму предшифрацию, определяет тип и формат команд, выделяет поле, содержимое которого поступает в блок для вычисления линейного адреса. Другими словами, дешифратор отвечает за преобразование цифровых данных из памяти компьютера в поток сигналов, понятных процессору^[25]. Команды, прошедшие этап выборки, хранятся в очереди команд^[26].

2.2 Алгоритм работы процессора

В масштабах всего компьютера схему работы процессора можно описать следующим образом:

1. Используя данные с жесткого диска или из сети, процессор выполняет программу и выдает конечный результат в виде файла или картинки, отображаемой на мониторе;

2. В процессе выполнения программы процессор обеспечивает взаимодействие с устройствами ПК посредством операционной системы и определенных инструкций (драйверов).

Например, процессор производит сложные расчеты, занося промежуточные и конечные результаты в оперативную память, а также параллельно дает команды видеокарте визуализировать их.

Конкретно алгоритм обработки данных процессором основан на четырёх этапах, которые были рассмотрены во втором разделе: выборке, декодировании, выполнении и хранении.

Данные этапы подразделяются на более точные действия, и алгоритм включает уже следующие шаги:

1. Определение адреса команды^[27].

 Адрес команды хранится в регистре счетчике команд и, в случае линейного выполнения программы, после выполнения каждой команды счетчик команд увеличивает содержимое на количество слов команды. В случае безусловного перехода в счетчик команд записывается адрес перехода. В современных процессорах выборка команд производится целым блоком, который записывается во внутренний КЭШ команд. Команды выполняются конвейером команд, таким образом, что одновременно может выполняться несколько команд на разных ступенях конвейера. Специальное устройство предсказывает последовательность выполнения команд, и производится опережающее выполнение тех команд, операнды которых на данный момент определены. Если действительный порядок выполнения команд отличается от предсказанного, последовательность команд выгружается из конвейера и производится загрузка конвейера новой последовательностью команд.

2. Выборка адреса команды.

Для чтения блока команд из оперативной памяти процессор устанавливает  адрес блока команд на шине адреса и производит выборку.

3. Выборка команды.

Блок сопряжения выполняет ввод блока команд через интерфейс с памятью. Блок команд запоминается в КЭШ команд.

4. Дешифрация команды^[28].

Если команда состоит из нескольких слов, то в дешифратор кода команды передается только первое слово команды, которое содержит код операции и признаки адресации. В этом случае по первому слову определяется длина команды и выбор следующих слов происходит по мере необходимости. Процесс дешифрации может быть разделен на первичную и вторичную. Первичная дешифрация определяет тип команды, ее цель состоит в определении, к какой группе команд относится данная команда. Первичная дешифрация позволяет уменьшить объем алгоритма обработки программ за счет одинаковой обработки команд одного типа. Вторичная дешифрация выполняется на более поздних этапах, обычно после вычисления адресов операндов. Для команд арифметико-логической группы вторичная дешифрация может выполняться непосредственно в АЛУ;

5. Вычисление адресов операндов.

Если команда адресная, то на следующем этапе вычисляются адреса операндов. Вычисление адреса и выборка для каждого операнда чередуются. Адрес операнда, если он является адресом ячейки ОЗУ, помещается в регистр адреса памяти;

6. Выборка операндов.

Выборка операндов производится для большинства адресных команд арифметико-логической группы. Содержимое ячейки памяти вводится в процессор для выполнения операции в АЛУ процессора. Если операнды размещаются во внутренних регистрах процессора, то операция выполняется значительно быстрее, чем при извлечении данных из памяти. Данные из оперативной памяти извлекаются блоками, которые помещаются в КЭШ данных внутри процессора^[29].

7. Исполнение операции.

На этой стадии, если это необходимо, производится вторичная дешифрация команды непосредственно в АЛУ, где и выполняется операция над подготовленными заранее операндами. Кроме арифметических или логических операций могут выполняться операции по пересылке операндов, в этом случае операнд извлекается из соответствующего регистра и пересылается на место операнда-приемника. Если выполняется команда безусловного перехода, то вычисленный адрес перехода записывается в регистр — счетчик команд. Команды вызова подпрограмм требуют запоминания состояния вычислительного процесса. Для этого используется сохранение данных в стеке (области памяти, предназначенной для записи данных в определенной последовательности и их последовательного извлечения). Для записи данных в стек и их извлечения из стека используется специальный адресный регистр, автоинкрементно изменяющий адрес. Указатель стека всегда указывает на следующую после последнего обращения к стеку ячейку памяти.

8. Запись результата.

После выполнения команды результат операции обычно помещается в регистр аккумулятор. Затем он должен быть записан в оперативную память и, если это необходимо, выведен на внешнее запоминающее устройство, на дисплей монитора или передано другому внешнему устройству.  Ввод и вывод информации для освобождения центрального процессора производят  специальные каналы ввода/вывода. При этом канал управляется процессором ввода/вывода, который анализирует ситуацию и осуществляет обмен^[30].

Схематично и наглядно процесс обработки данных процессором изображён на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Схема рабочего цикла центрального процессора ПК.

Можно рассмотреть алгоритм обработки данных более подробно на примере фрагмента программы со сложением пары чисел. В данной программе задействован такой элемент, как сумматор, однако, он может не использоваться в устройстве определённых процессоров в зависимости от их архитектуры^[31].

Итак, первая команда:

1. Устройство управления определяет, что находится в счетчике команд. 

2. Двоичный код из соответствующей ячейки ОЗУ записывается в регистр команд. В процессе его декодирования устройство управления распознаёт команду вызова другой ячейки оперативной памяти в сумматор. 

3. Номер ячейки — первого операнда (первого слагаемого) — записывается в регистр адреса. 

4. Устройство управления считывает данные из оперативной памяти в сумматор, согласно регистру адреса.  

К тому моменту, как выборка и выполнение первой команды закончились, значение в счётчике команд автоматически увеличивается на единицу. 

Следующий цикл:

1. Устройство управления переписывает содержимое следующей ячейки оперативной памяти, на которую указывает счётчик команд, в регистр команд. 

2. Это оказалась команда сложения сумматора с ячейкой оперативной памяти. Её адрес располагается в регистре адреса, который уже изменился в процессе декодирования команды сложения устройством управления. 

3. Данные из оперативной памяти из ячейки, на которую указывает регистр адреса, считываются и складываются с сумматором. Результат остается в сумматоре. 

Закончились выборка и выполнение второй команды. Получена сумма двух чисел, и она располагается в сумматоре, далее цикл может начинаться заново^[32].

2.3 Классификация процессоров персонального компьютера

На основании характеристик процессоров, рассмотренных в предыдущих главах, а также на сновании дополнительных показателей, можно провести классификацию процессоров ПК.

Необходимо заметить, что классификация современных процессоров носит весьма условный характер, так как большинство удачных технических решений переносится с процессоров одного класса на другой, придавая им всё новые и новые свойства^[33]. Однако, разделение процессоров по классам отражает принципы их построения и конструктивные особенности, что немаловажно.

Итак, классифицировать процессоры персонального компьютера можно:

1.По назначению

1.1 Универсальные

1.2 Специализированные

Универсальные микропроцессоры применяются для решения широкого спектра задач. Их эффективность мало зависит от специфики поставленной задачи, так как при их производстве используется большое количество передовых технологий и средств, как правило, они предназначены для управления дорогостоящими системами связи.

Специализация процессора, то есть его проблемная ориентация на ускоренное выполнение строго определенных функций позволяет увеличить эффективную производительность благодаря сужению круга решаемых задач^[34]. Специализированные процессоры, в свою очередь, могут подразделяться на микроконтроллеры, которые используют для управления недорогими малогабаритными устройствами, и сигнальные процессоры, содержащие упрощённый набор команд^[35].

2. По количеству выполняемых программ

2.1 Однопрограммные

2.2 Мультипрограммные

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа, переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей^[36]. В много- или мультипрограммных процессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль над состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

3. По объёму набора инструкций

3.1CISC
3.2RISC

Complete Instruction Set Computer (CISC) – это процессоры с полным набором инструкций . Данный класс процессоров предоставляет широкие возможности для программирования, но, с другой стороны, сложная система команд затрудняет обработку инструкций и препятствует увеличению частоты процессора. Reduced Instruction Set Computer (RISC) – это процессоры с сокращенным набором инструкций . Простая система коротких инструкций позволяет быстро декодировать и выполнять их за минимальное время – в пределах 1 такта^[37].

4.По числу больших интегральных схем (БИС)

4.1 Однокристалльные
4.2 Многокристалльные
4.3 Многокристалльные секционные

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы)^[38]. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются, но их возможности ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно. Микропроцессорная секция – это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций.^[39].

5. По виду обрабатываемых сигналов

5.1 Цифровые
5.2 Аналоговые

Сами микропроцессоры представляют собой цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Входные аналоговые сигналы в цифровой форме передаются в процессор через преобразователь, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь^[40].

6. По характеру временной организации работы

6.1 Синхронные
6.2 Асинхронные
6.3 Комбинированные

В синхронных процессорах начало и конец выполнения операций задаются устройством управления. Время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов.
Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции^[41].

7. По организации структуры

7.1 Одномагистральные
7.2 Многомагистральные

В одномагистральных процессорах все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов. В многомагистральных устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

8. В зависимости от функционального назначения (процессоры узкого назначения):

8.1 Арифметический процессор
8.2 Буферный процессор
8.3 Интерфейсный процессор
8.4 Лингвистический процессор
8.5 Процессор передачи данных
8.6 Терминальный процессор и др^[42].

Буферный процессор — это процессор, реализующий промежуточную обработку данных, которыми обмениваются центральный процессор или центральная ЭВМ с устройствами ввода-вывода.

Лингвистический процессор – это компьютерная программа, которая каким-либо образом преобразует входной текст на естественном языке.

В этой главе мы описали основные функции процессора — обработку команд и управление узлами компьютера, перечислили основные элементы, составляющие устройство процессора, и осуществляющие действия, необходимые для его функционирования. Главными составляющими процессора являются арифметическое логическое устройство и устройство управления, совокупность которых образует ядро процессора.

Мы поэтапно рассмотрели основной алгоритм работы процессора персонального компьютера, на основе которого выполняются функции процессора. Также для лучшего понимания алгоритма была более подробно изучена операция выборки-выполнения, которую называют циклом выборки-выполнения, или машинным циклом. 

Проведённая нами классификация процессоров даёт возможность наглядно представить разнообразие характеристик, функций и применений процессоров, что подчёркивает их универсальность и незаменимость в современной жизни.

ГЛАВА 3. АРХИТЕКТУРЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА

3.1 Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров, как правило, основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретенного Джоном фон Нейманом.

Рисунок 3.1 – Схематичное изображение процессора фон Неймана (память, УУ, АЛУ, аккумулятор, ввод/вывод)^[43].

Циклический процесс обработки информации фон Неймана включает следующие этапы^[44]:

1. Процессор выставляет номер, который хранится в регистре счетчика команд на адресной шине, и дает памяти команду чтения^[45];
2. Выставленный номер является адресом для памяти. Память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, которое хранится по этому адресу на шине данных, и объявляет о готовности;
3. Процессор получает номер от шины данных, интерпретирует его как команду (инструкцию) из командной системы и выполняет ее;
4. Если последняя команда не нарушает последовательность, процессор увеличивает число, которое хранится в счетчике команд, на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице). В результате там формируется адрес следующей команды;
5. Цикл начинается заново с первого пункта.

Этот цикл выполняется стабильно, и его называют процессом, откуда и пошло название устройства^[46].

Архитектура фон Неймана была построена в соответствии со следующими принципами:

1. Принцип однородности памяти.

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и различить их можно только по методу использования, то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему^[47].

Такое строение памяти процессора позволяет производить над командами те же операции, что и над числами. Такой приём называют модификацией команд, но с позиций современного программирования он не приветствуется^[48]. Причиной является то, что совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана^[49], заключающееся в ограничении пропускной способности между процессором и памятью.

На схеме, изображённой на рисунке 3.2, показано расположение оперативной памяти (RAM) относительно центрального процессора персонального компьютера (CPU), при котором можно с лёгкостью заметить это «узкое место»^[50].

Рисунок 3.2 – Представление оперативной памяти в соответствии с архитектурой фон Неймана.

Вследствие того, что память программ и память данных не могут быть доступны в один и тот промежуток времени, пропускная способность канала «процессор-память» существенно ограничивает скорость работы процессора — гораздо сильнее, чем если бы программы и данные хранились в разных местах^[51].

Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат выполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык низкого уровня конкретной вычислительной машины^[52].

2. Принцип двоичного кодирования.

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

3. Принцип адресности.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причём процессору в произвольный момент доступна любая из них. Двоичные коды разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса^[53].

3. Принцип программного управления.

Все вычисления, которые предусматриваются алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, которая состоит из последовательности управляющих слов — команд. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена^[54].

Первыми компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были^[55]:

1. Прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина — Манчестерский университет, Великобритания, 21 июня 1948 года;
2. EDSAC — Кембриджский университет,1949 год;
3. BINAC — США, 1949 год;

К разновидностям архитектуры фон Неймана относятся конвейерная архитектура, суперскалярная архитектура, CISC- и RISC-архитектуры процессора.

Архитектура конвейера была введена в центральный процессор с целью его ускорения^[56]. 

Обычно для выполнения каждой команды требуется выполнить некоторое количество одних и тех же операций, например: выбор команды ОЗУ, расшифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выбор операнда ОЗ, выполнение команды, регистрация результата в ОЗУ. Каждая из этих транзакций сравнивается с одним этапом конвейера. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности за счёт возможности выполнения нескольких машинных команд за один тактовый период процессора.

Сравнительная схема последовательного и конвейерного процессоров представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема последовательного процессора и процессора с конвейером команд.

Грубо говоря, конвейерная архитектура представляет собой несколько параллельно выполняемых действий за один такт^[57].  Увеличение количества однообразных действий, выполняемых одновременно, позволяет повысить производительность процессора. В идеальном случае производительность процессора с N — ступенчатым конвейером команд в N раз больше производительности последовательного процессора, т.е. без конвейера команд^[58]. Однако, существует определенный естественный предел роста числа исполнительных устройств, при превышении которого производительность процессора практически перестает расти, а исполнительные устройства простаивают.

3.2 Параллельная архитектура

Архитектура фон Неймана в любой своей форме имеет один недостаток, который состоит в её последовательности. Независимо от размеров массива данных, который требуется обработать, каждый его байт должен пройти через центральный процессор, даже если по всем байтам массива требуется выполнить одну и ту же операцию – это ранее упомянутое «узкое место» архитектуры фон Неймана.

Для решения этой проблемы были предложены альтернативные варианты архитектур процессоров, среди которых была классификация Флинна — одна из самых ранних и наиболее известных классификаций архитектур вычислительных систем. В основу классификации положено понятие потока — последовательности, под которой понимается последовательность данных или команд, обрабатываемых процессором.

Рассматривая число потоков данных и потоков команд, Флинн предложил рассматривать следующие классы архитектур: MIMD, SIMD, SISD, MISD.

Архитектура SISD (Single Instruction — Single Data)  — «один поток команд, один поток данных». Это описание архитектуры компьютерной системы, подразумевающее исполнение одним процессором одного потока команд, который обрабатывает данные, хранящиеся в одной памяти.

Архитектура SIMD (Single Instruction — Multiple Data) — «один поток команд, много потоков данных» — архитектура, подразумевающая исполнение одной текущей команды несколькими процессорами. Эта команда выбирается из памяти центральным контроллером SIMD-системы, b работает над разными элементами данных. Для этого каждый процессор имеет ассоциированную с ним память, где хранятся массивы однородных данных.

Архитектура MISD (Multiple Instruction — Single Data) — «много потоков команд, один поток данных» – архитектура, в которой данные подаются на набор процессоров, каждый из которых исполняет свою программу их обработки. Подобная архитектура ещё никогда не была реализована.

Архитектура MIMD (Multiple Instructions — Multiple Data) — «много потоков команд, много потоков данных». В этой архитектуре набор процессоров независимо выполняет различные наборы команд, обрабатывающих различные наборы данных. Системы в архитектуре MIMD делятся на системы с распределённой памятью, к которым относятся кластеры и системы с совместно используемой памятью^[59]. У этой классификации есть очевидные недостаток – данный класс очень перегружен, так как в него вошли все многопроцессорные системы. При этом они существенно отличаются по ряду признаков (числом процессоров, природе и топологией и видами связей между ними, способами организации памяти и технологиями программирования).

В данной главе мы рассмотрели две основные архитектуры процессора – последовательную архитектуру или архитектуру Джона фон Неймана, а также параллельную архитектуру, которая представляет собой многопроцессорную структуру, призванную ускорить функционирование процессора посредством параллельного выполнения нескольких операций. Были выявлены сильные и слабые стороны каждой из архитектур: замедление работы процессора из-за прохождения всей информации через канал «процессор-память» в архитектуре фон Неймана и невозможность реализации всех идей в параллельной архитектуре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Внедрение и широкое использование средств вычислительной техники является одним из главных факторов ускорения научно-технического, и на данный момент широко распространено во всём мире. Наиболее значимым среди прочей вычислительной техники является персональный компьютер, прочно укоренившийся в повседневной жизни практически каждого городского жителя. Именно массовое производство и постоянное усовершенствование его главного функционального элемента – процессора – сделало персональный компьютер столь популярным.

В ходе данной курсовой работы мы изучили историю создания процессора персонального компьютера, основные понятия, определяющие его работу, и определили его назначение.

Центральный процессор (ЦП) – это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера.

Также в данной работе были рассмотрены основные функции центрального процессора ПК, которые состоят в обработке данных в соответствии с прописанной программой и программном управлением работой всех устройств компьютера. Были перечислены функциональные элементы процессора, благодаря которым осуществляется работа алгоритма обработки данных: арифметико-логическое и управляющее устройства, которые вместе образуют ядро процессора, блок регистров, кэш-память процессора, схема управления и внутренняя шина данных.

Мы изучили характеристики процессоров, среди которых выявили наиболее значимые: производительность, которая основана на тактовой частоте, разрядности и количестве ядер процессора, а также особенностях архитектуры. На основании данных характеристик была составлена и изучена классификация процессоров, дающая представление о разнообразии характеристик и направлений применения процессоров.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

БИБЛИОГРАФИЯ

1 А. Алексеев, Г. Евсеев, В. Мураховский, С. Симонович. Новейший самоучитель работы  на компьютере. – М.: Десс,1999.
URL: http://bookre.org/reader?file=522890&pg=4 (Дата обращения 12.02.2020)

2. Воройский Ф.С. Информатика. Энциклопедический словарь-справочник: введение в современные информационные и телекоммуникационные технологии в терминах и фактах. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 
URL: http://metodichka.x-pdf.ru/15informatika/215492-16-informatika-enciklopedicheskiy-sistematizirovanniy-slovar-spravochnik-vvedenie-sovremennie-informacionnie-telekommunikac.php (Дата обращения 12.02.2020)

3. Кузин А.В., Пескова С.А. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей «Автоматизация и управление» – М.: Инфра-М, 2006. – 350 с.

4. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. Третье издание. М.: Энергоатомиздат, 1991. URL: http://bookre.org/reader?file=1238867&pg=10 (Дата обращения 12.02.2020)

5. Herman H. Goldstine. The Computer from Pascal to von Neumann. — Princeton University Press, 1980. — 365 p. — ISBN 9780691023670.

6. William Aspray. John von Neumann and the Origins of Modern Computing. — MIT Press, 1990. — 394 p. — ISBN 0262011212.

ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ

1. Устройство и основные характеристики процессора. URL: https://www.chaynikam.info/stat_cpu.html#harakteristiki
(Дата обращения 14.02.2020).

2. История разработки первого в мире микропроцессора. URL: https://masterok.livejournal.com/2822251.html (Дата обращения 12.02.2020)

3. Классификация микропроцессоров. URL:
https://textarchive.ru/c-2047099.html (Дата обращения 15.02.2020).

4. Лекция «Классификация микропроцессоров». URL:
http://mc-plc.ru/mps/klassifikaciya-mikroprocessorov.htm (Дата обращения 16.02.2020).

5. Микропроцессоры.
URL: https://www.e ope.ee/_download/euni_repository/file/2884/Kursus%20Mikroprotsessortehnika.zip/__10.html (Дата обращения 16.02.2020).

6. Классификация процессоров. URL:
https://studopedia.ru/4_4319_tema—klassifikatsiya-mikroprotsessorov.html
(Дата обращения 16.02.2020).

7. Центральный процессор – назначение и характеристики. URL: https://wi-tech.ru/protsessory/tsentralnyj/#i-2 (Дата обращения 14.02.2020).

8. PPT online/ Информационные технологии. Счёт в древнем мире. URL: https://en.ppt-online.org/257964 (Дата обращения 13.02.2020).

9. Студопедия/ Понятие машинной команды. URL: https://studopedia.ru/20_55696_ponyatie-mashinnoy-komandi-rol-adresnoy-chasti-komandi.html (Дата обращения 13.02.2020).

10. Процессоры. Что это такое. История развития. URL: https://pikabu.ru/story/protsessoryi_chto_yeto_takoe_istoriya_razvitiya_5584369 (Дата обращения 13.02.2020).

11. Что такое разрядность процессора. URL: https://compcpu.ru/stati/chto-takoe-razryadnost-processora-32-64/
(Дата обращения 14.02.2020).

12. О разрядности процессоров. URL:
https://www.ixbt.com/cpu/cpu-bitness.shtml (Дата обращения 14.02.2020).

13. Общие принципы организации и работы компьютеров. URL: http://book.kbsu.ru/theory/chapter2/1_2.html (Дата обращения 12.02.2020).

14. Микросхемы – кремниевое сердце электроники. URL: https://postnauka.ru/faq/154730 (Дата обращения 12.02.2020).

15. Что такое процессор. Ядро процессора. URL: https://mediapure.ru/matchast/chto-takoe-centralnyj-processor/ (Дата обращения 12.02.2020).

16. Юлия Абдулбарова. Что такое арифметико-логическое устройство. URL: https://www.syl.ru/author/47188 (Дата обращения 12.02.2020).

17. Как работает процессор: краткая суть функциональности CPU. URL: http://profi-user.ru/kak-rabotaet-cpu/ (Дата обращения 12.02.2020).

18. Арифметико-логическое устройство. URL: https://studopedia.ru/3_207166_arifmetiko-logicheskoe-ustroystvo.html (Дата обращения 12.02.2020).

19. Изучение элементов и систем автоматики , а также специального программного обеспечения// Лекция «Внутреннее строение микропроцессора» . URL: http://mc-plc.ru/mps/vnutrennee-stroenie-mikroprocessora.htm (Дата обращения 12.02.2020).

20. Большая Энциклопедия Нефти и Газа/Внутренняя шина. URL: https://www.ngpedia.ru/id603916p1.html (Дата обращения 12.02.2020).

21. Информатика и информационные технологии //Сравнительная характеристика ОЗУ и ПЗУ. URL:http://junior.ru/wwwexam/pamiat/pamiat4.htm (Дата обращения 12.02.2020).

22. Как работает процессор: краткая суть функциональности CPU. URL: http://profi-user.ru/kak-rabotaet-cpu/ (Дата обращения 12.02.2020).

23. Процессор. Подробное изложение. URL:http://www.gm4.ru/pril/shamardin2/cpupodr.html (Дата обращения 13.02.2020).

24. Принципы фон Неймана. URL: https://studopedia.ru/2_43061_printsipi-fon-neymana.html ( Дата обращения 13.02.2020).

25. Floating-Point Operations Per Second/ URL: https://en.wikichip.org/wiki/flops (Дата обращения 14.02.2020).

1. История разработки первого в мире микропроцессора. URL: https://masterok.livejournal.com/2822251.html (Дата обращения 12.02.2020) ↑

2. История появления и развития процессоров для компьютеров

   https://domcomputer.ru/interesno-o-kompyuterah/istoriya-poyavleniya-i-razvitiya-protsessorov-dlya-kompyuterov.html (Дата обращения 12.02.2020) ↑

3. Воройский Ф.С. Информатика. Энциклопедический словарь-справочник: введение в современные информационные и телекоммуникационные технологии в терминах и фактах. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 
   URL: http://metodichka.x-pdf.ru/15informatika/215492-16-informatika-enciklopedicheskiy-sistematizirovanniy-slovar-spravochnik-vvedenie-sovremennie-informacionnie-telekommunikac.php (Дата обращения 12.02.2020) ↑

4. Общие принципы организации и работы компьютеров. URL: http://book.kbsu.ru/theory/chapter2/1_2.html (Дата обращения 12.02.2020) ↑

5. Микросхемы – кремниевое сердце электроники. URL: https://postnauka.ru/faq/154730 (Дата обращения 12.02.2020) ↑

6. Что такое процессор. Ядро процессора. URL: https://mediapure.ru/matchast/chto-takoe-centralnyj-processor/ (Дата обращения 12.02.2020) ↑

7. Производительность процессора и характеристики его компонентов. URL: http://tehnopandaru.g-k2.ru/ru/lab/know/complect/proc/behaviour-cpu (Дата обращения 14.02.2020) ↑

8. Floating-Point Operations Per Second/ URL: https://en.wikichip.org/wiki/flops (Дата обращения 14.02.2020) ↑

9. Что такое тактовая частота процессора и на что она влияет. URL: https://comp-security.net/%D1%87%D1%82%D0%BE-%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B5-%D1%82%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F-%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B0-%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE%D1%80/ (Дата обращения 14.02.2020) ↑

10. Что такое разрядность процессора. URL: https://compcpu.ru/stati/chto-takoe-razryadnost-processora-32-64/ (Дата обращения 14.02.2020) ↑

11. О разрядности процессоров. URL: https://www.ixbt.com/cpu/cpu-bitness.shtml (Дата обращения 14.02.2020) ↑

12. Устройство и основные характеристики процессора. URL: https://www.chaynikam.info/stat_cpu.html#harakteristiki (Дата обращения 14.02.2020) ↑

13. Центральный процессор – назначение и характеристики. URL: https://wi-tech.ru/protsessory/tsentralnyj/#i-2 (Дата обращения 14.02.2020) ↑

14. IT-World: Нужна ли видео-карта для работы. URL: https://www.it-world.ru/tech/admin/120195.html (Дата обращения 14.02.2020) ↑

15. Нормальная температура процессоров разных производителей. URL: https://lumpics.ru/normal-operating-temperature-processors-from-different-manufacturers/ (Дата обращения 14.02.2020) ↑

16. Scott McCartney. ENIAC: The Triumphs and Tragedies of the World’s First Computer. — Berkley Books, 2001. — 262 p. — ISBN 9780425176443 ↑

17. Юлия Абдулбарова. Что такое арифметико-логическое устройство. URL: https://www.syl.ru/author/47188 (Дата обращения 12.02.2020) ↑

18. Как работает процессор: краткая суть функциональности CPU. URL: http://profi-user.ru/kak-rabotaet-cpu/ (Дата обращения 12.02.2020) ↑

19. Арифметико-логическое устройство. URL: https://studopedia.ru/3_207166_arifmetiko-logicheskoe-ustroystvo.html (Дата обращения 12.02.2020) ↑

20. Изучение элементов и систем автоматики , а также специального программного обеспечения// Лекция «Внутреннее строение микропроцессора» . URL: http://mc-plc.ru/mps/vnutrennee-stroenie-mikroprocessora.htm

    (Дата обращения 12.02.2020) ↑

21. Большая Энциклопедия Нефти и Газа/Внутренняя шина. URL: https://www.ngpedia.ru/id603916p1.html (Дата обращения 12.02.2020) ↑

22. Информатика и информационные технологии //Сравнительная характеристика ОЗУ и ПЗУ. URL:http://junior.ru/wwwexam/pamiat/pamiat4.htm (Дата обращения 12.02.2020) ↑

23. Как работает процессор: краткая суть функциональности CPU. URL: http://profi-user.ru/kak-rabotaet-cpu/ (Дата обращения 12.02.2020) ↑

24. Wikipedia/ Cache control instruction. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Cache_control_instruction

    (Дата обращения 12.02.2020) ↑

25. Как работает процессор: краткая суть функциональности CPU. URL: http://profi-user.ru/kak-rabotaet-cpu/ (Дата обращения 12.02.2020) ↑

26. Структурная схема и регистры процессоров. URL: https://helpiks.org/6-83957.html (Дата обращения 12.02.2020) ↑

27. Примеры структур простейшего процессора. URL: https://studfile.net/preview/3644298/page:8/ (Дата обращения 12.02.2020) ↑

28. Примеры структур простейшего процессора. URL: https://studfile.net/preview/3644298/page:8/ (Дата обращения 11.02.2020) ↑

29. Примеры структур простейшего процессора. URL: https://studfile.net/preview/3644298/page:8/ (Дата обращения 12.02.2020) ↑

30. Примеры структур простейшего процессора. URL: https://studfile.net/preview/3644298/page:8/ (Дата обращения 12.02.2020) ↑

31. Процессор. Подробное изложение. URL:http://www.gm4.ru/pril/shamardin2/cpupodr.html (Дата обращения 13.02.2020) ↑

32. Процессор. Подробное изложение. URL:http://www.gm4.ru/pril/shamardin2/cpupodr.html (Дата обращения 13.02.2020) ↑

33. Классификация процессоров. URL: https://mylektsii.ru/13-46882.html (Дата обращения 16.02.2020) ↑

34. Основные сведения о процессоре. URL: http://samzan.ru/127070 (Дата обращения 16.02.2020) ↑

35. Лекция «Классификация микропроцессоров». URL:http://mc-plc.ru/mps/klassifikaciya-mikroprocessorov.htm (Дата обращения 16.02.2020) ↑

36. Микропроцессоры. URL: https://www.e-ope.ee/_download/euni_repository/file/2884/Kursus%20Mikroprotsessortehnika.zip/__10.html (Дата обращения 16.02.2020) ↑

37. Классификация процессоров. URL: https://studopedia.ru/4_4319_tema—klassifikatsiya-mikroprotsessorov.html (Дата обращения 16.02.2020) ↑

38. Классификация микропроцессоров. URL: https://textarchive.ru/c-2047099.html (Дата обращения 15.02.2020) ↑

39. Лекция «Классификация микропроцессоров». URL:http://mc-plc.ru/mps/klassifikaciya-mikroprocessorov.htm (Дата обращения 16.02.2020) ↑

40. Лекция «Классификация микропроцессоров». URL:http://mc-plc.ru/mps/klassifikaciya-mikroprocessorov.htm (Дата обращения 16.02.2020) ↑

41. Принцип программного управления. URL: https://vunivere.ru/work67660/page5 (Дата обращения 16.02.2020) ↑

42. Энциклопедический систематизированный словарь-справочник «Введение в современные информационные и телекоммуникационные технологии»

    http://metodichka.x-pdf.ru/15informatika/215492-16-informatika-enciklopedicheskiy-sistematizirovanniy-slovar-spravochnik-vvedenie-sovremennie-informacionnie-telekommunikac.php (Дата обращения 17.02.2020) ↑

43. PPT online/ Информационные технологии. Счёт в древнем мире. URL: https://en.ppt-online.org/257964 (Дата обращения 13.02.2020) ↑

44. Студопедия/ Понятие машинной команды. URL: https://studopedia.ru/20_55696_ponyatie-mashinnoy-komandi-rol-adresnoy-chasti-komandi.html (Дата обращения 13.02.2020) ↑

45. Процессоры. Что это такое. История развития. URL: https://pikabu.ru/story/protsessoryi_chto_yeto_takoe_istoriya_razvitiya_5584369 (Дата обращения 13.02.2020) ↑

46. Central processor. URL: http://tadviser.com/index.php/Article:Central_processor ( Дата обращения 13.02.2020) ↑

47. Википедия/ Архитектура фон Неймана. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%80%D1%85%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0_%D1%84%D0%BE%D0%BD_%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B0 ( Дата обращения 13.02.2020) ↑

48. Принципы фон Неймана. URL: https://studopedia.ru/2_43061_printsipi-fon-neymana.html ( Дата обращения 13.02.2020) ↑

49. William Aspray. John von Neumann and the Origins of Modern Computing. — MIT Press, 1990. — 394 p. — ISBN 0262011212. ↑

50. Производительность подсистемы памяти. URL: https://overclockers.ru/lab/show/15271/Proizvoditelnost_podsistemy_pamyati (Дата обращения 13.02.2020) ↑

51. (Дата обращения 13.02.2020) ↑

52. Блог компании IBM/ Когнитивные вычисления. URL: https://habr.com/ru/company/ibm/blog/276855/ (Дата обращения 13.02.2020) ↑

53. Архитектура компьютера. Принципы фон Неймана. URL: https://interneturok.ru/lesson/informatika/8-klass/bkompyuter-kak-universalnoe-sredstvo-obrabotki-informaciib/arhitektura-kompyutera-printsipy-fon-neymana-logicheskie-uzly-kompyutera-vypolnenie-programmy (Дата обращения 13.02.2020) ↑

54. Вики/ Архитектура фон Неймана. URL: (Дата обращения 13.02.2020) https://wiki2.org/ru/%D0%90%D1%80%D1%85%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0_%D1%84%D0%BE%D0%BD_%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B0 (Дата обращения 13.02.2020) ↑

55. William Aspray. John von Neumann and the Origins of Modern Computing. — MIT Press, 1990. — 394 p. — ISBN 0262011212. ↑

56. Яндекс/ Процессоры. Что это такое. История развития. URL: https://zen.yandex.ru/media/id/5d1ca973fd076900ae7cd57a/processory-chto-eto-takoe-istoriia-razvitiia-5d1cb5abb96ef500ae253049 (Дата обращения 13.02.2020) ↑

57. Хабр/ Немного о процессорах. URL: https://habr.com/ru/post/316520/ (Дата обращения 13.02.2020) ↑

58. Организация центральных процессоров. URL: http://bagdar.info/organizaciya-centralenih-processorov-cpu—central-processing-u.html (Дата обращения 13.02.2020) ↑

59. НОУ ИНТУИТ/ Лекция «Состояние и перспективы развития вычислительных систем и проектных технологий их создания». URL: https://www.intuit.ru/studies/courses/3456/698/lecture/14122?page=2 (Дата обращения 16.02.2020) ↑

Инфоурок

›

Информатика

›Тесты›Контрольная работа по теме: «Устройство компьютера» (10 класс)

1

2


Центра́льный проце́ссор (ЦП; CPU англ. céntral prócessing únit, дословно центральное вычислительное устройство) исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение арифметических операций, заданных программами операционной системы, и координирующий работу всех устройств компьютера.англ. машинных инструкцийаппаратного обеспечениякомпьютера программируемого логического контроллера

3


Двести лет назад члены французской академии наук приняли постановление в котором отвергалась идея существования… метеоритов! «Камни с неба падать не могут!» — вынесли свой вердикт ученые мужи. Чтобы они сказали, поведай им о камнях, умеющих считать! Ведь процессор почти целиком состоит из кремния – минерала, который мы чаще всего встречаем в виде обычного песка или гранитных скал… Проще говоря, любой процессор – это выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако, камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, соединенных металлическими мостиками- контактами. Именно они и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определенные математические операции с числами, в которые преобразуется любая поступающая в компьютер информация.

4


Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.Джоном фон Нейманом Он придумал схему постройки компьютера в 1946 году. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти. арифметических команд

5


I. Архитектура фон Неймана 1. Конвейерная архитектура 2. Суперскалярная архитектура CISC-процессоры RISC-процессоры MISC-процессоры II. Параллельная архитектура Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить: SISD один поток команд, один поток данных; SIMD один поток команд, много потоков данных; MISD много потоков команд, один поток данных; MIMD много потоков команд, много потоков данных.

6

7


В общем случае центральный процессор содержит: — арифметико-логическое устройство ( центральная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции ) — шины данных ( определяет количество информации, которое можно передать за один такт ) и шины адресов ( определяет объём адресуемой памяти ) — регистры( устройства, предназначенные для приема, хранения и передачи информации ) — счетчики команд ( содержащий адрес текущей выполняемой команды ) — кэш-память ( память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным ) — математический сопроцессор чисел с плавающей точкой ( служит для расширения командного множества центрального процессора и обеспечивающий его функциональностью модуля операций с плавающей запятой )

8


Этапы цикла выполнения: 1.Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;регистресчётчика командшину адреса памяти 2.Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;адресомшину данных 3.Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;машинную инструкциюсистемы команд 4.Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;командой перехода 5.Снова выполняется п. 1. Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства). Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.программой алгоритм команды остановааппаратного прерывания Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы. Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.тактовым генераторомтактовой частотой

9


1.Тактовая частота Тактовая частота это то количество элементарных операций(тактов),которые процессор может выполнять в течение секунды. Конечно, число это очень велико, и каким-то образом увидеть отдельный такт мы не можем. То ли дело часы, которые тикают с частотой один такт в секунду! Еще недавно этот показатель был для нас, пользователей, не то что самым важным – единственным значимым! Махровым цветом процветал «разгон» процессоров – каждый уважающий себя юзер(пользователь) считал прямо- таки необходимым «пришпорить» свой процессор – и впадал в экстаз, получив от своего процессора лишнюю сотню мегагерц сверх номинала. Впрочем,частота процессоров и безо всякого разгона возрастала в геометрической прогрессии – в полном соответствии с так называемым «законом Мура»( согласно ко- торому количество транзисторов в кристалле микропроцессора удваивается каждыйтранзисторовмикропроцессора год). Этот принцип успешно работал вплоть до 2004 г. – пока на пути инженеров Intel не встали законы физики. Процессоры сегодня производятся по 65-нано – микронной технологии. В ближайшие 3 года размеры транзисторов могут сократиться до 22 нм, что близко к физическому пределу…

10


2. Разрядность Раньше говорили, что тактовая частота – главный показатель производительности процессора. На самом деле это не совсем так: есть еще один важный параметр – разрядность. В учебниках характеризуется так: « максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно».То есть тактовая частота – это всего лишь скорость, с которой обжора-процессор заглатывает информацию. А разрядность свидетельствует о размере куска, который влезает в один присест в его виртуальную память. До недавнего времени все процессоры были 32-битными – и этой разрядности они достигали 10 лет. Правда, изменилась разрядность только информационной магистрали, по которой к процессору поступает информационный корм – она стала 64- битной.

11


3. Частота шины Шина – это своеобразная информационная магистраль, связывающая воедино все устройства, подключенные к системной плате – процессор, оперативную память, видеоплату… У этой магистрали, как и у процессора есть своя пропускная способность – её и характеризует частота. Чем этот показатель выше, тем лучше. Частота системной шины прямо связана с частотой процессора через так называемый «коэффициент умножения». Процессорная частота – это и есть частота системной шины, умноженная процессором на некую, заложенную в нем величину. Например, частота процессора 2,2 ГГц – это частота системной шины, умноженная на коэффициент 12. Частенько отчаянные умельцы «разгоняют» процессор, тем самым принудительно заставляя его работать на более высокой частоте системной шины, чем та, что предназначила для них сама природа вкупе с инженерами Intel. На такой подвиг способны лишь несколько процессоров из сотни, а большинство просто … выходит из строя…

12


4. Кэш-память Кэш-память – встроенная память, в которую процессор помещает все часто используемые данные, чтобы «не ходить каждый раз за семь верст киселя хлебать). Кэширование это использование дополнительной быстродействующей памяти, т.е кэш-памяти для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика. Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить 64 бит запись+64 бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, AMD K8L может производить два 128 бит чтения или записи в любой комбинации, процессоры Intel Core 2 могут производить 128 бит запись+128 бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.

13


В 1970 г. доктор Маршиан Эдвард Хофф с командой инженеров из Intel сконструировал первый микропроцессор. Во всяком случае так принято считать – хотя на самом деле еще в 1968 году инженеры Рэй Холт и Стив Геллер создали подобную универсальную микросхему SLF для бортового компьютера истребителя F-14. Но их разработка так и осталась в хищных когтях ястребов из Пентагона, в то время, как детище Intel ждала иная судьба. Микропроцессор Intel 4004 Производство: 15 ноября 1971 Производитель: Intel Corp Частота ЦП 108 КГц 740 КГц Технология производства:10 мкм Наборы инструкция: 46 инструкций Разъем :Dip16

14


Первый процессор работал на частоте всего 750 кГц. Сегодняшние процессоры быстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз, а любой домашний компьютер обладает мощностью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управляющий полетом корабля «Аполлон» к Луне. Персоналка Компьютер корабля Аполлон-11

15


п/п Название Год выпус ка Частота Кэш- память Количество транзисторов разр ядно сть Техно логия (мкм) кГц кГц МГц ,77 10 МГц МГц , (DX,SX) МГц , (SX, SLK,DX) МГц 8 кб L1 (L1- 1 уровень) ,6 млн Pentium – 166 МГц 16 кб L1 3.3 млн.32 0,8 – 0,5 9 Pentium Pro – 200 МГц 16 кб L1, 256 кб — 2 Мб L25,5 млн.320,5

16


п/п Название Год выпус ка Частота Кэш- память Количест во транзис торов Разрядность (бит) Технол огия (мкм) 10 Pentium – 300 МГц 32 кб L1 512 кб L2 7.5 млн.320,25 11Celeron – 500 МГц 128 кб L1 7.5 млн. – 19 млн. 320,25 12 Pentium МГц – 1 ГГц 32 кб L1 512 кб L млн. 320,18 13Pentium ,3 3,4 ГГц8 кб L1, 256 – 512 кб L2 44 – 60 млн.32 0,18 – 0,13 14Pentium D20052,8 – 3,2 ГГц16 кб L1, 2×1Мб L2230млн. 32( с 64- битным расширением) 0,09 15 Intel Core ГГц 4 Мб L2 2×6 Мб L2 291 млн нм 45 нм 16 Intel Core i ГГц (4х256 Кб L2, 8 Мб L3) 731 млн нм

17

18


В ближайшие лет, скорее всего, изменится материальная часть процессоров ввиду того, что технологический процесс достигнет физических пределов производства. Возможно, это будут: Квантовые компьютеры или Молекулярные компьютеры

19


Квантовые компьютеры Квантовый компьютер это гипотетическое вычислительное устройство, использующее специфически квантовые эффекты и намного превосходящее по своим возможностям любую классическую вычислительную машину. Чем же квантовый компьютер лучше классического? Благодаря огромной скорости разложения на простые множители, квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные при помощи популярного асимметричного криптографического алгоритма RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Для того, например, чтобы получить доступ к кредитной карте, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Даже для самых быстрых современных компьютеров выполнение этой задачи заняло больше бы времени, чем возраст Вселенной, в сотни раз. Эта задача делается вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.RSA

20


Молекулярный компьютер Молекулярный компьютер – это устройство, в котором вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы(преимущественно биологические) и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры лежат так называемые интеллектуальные молекулы. Такие молекулы (или молекулярные ансамбли) могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля и т.д. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы это наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора. Таблица, конечно, внушает оптимизм, но вот незадача: молекулярные компьютеры появятся не раньше, чем через 25 – 30 лет. Современные компьютеры компьютеры Молекулярные компьютеры Размер транзистора до 100 nm Молекулярный транзистор 1–10 Транзисторов на 1 см2 до 107~ 1013 на 1 см2 Время отклика < 10–9 сДо 10–15 с Эффективность 1Эффективность 1011