Процессоры их виды и назначение

 

 

Содержание

 

 

Введение ………………………….…………………………………	3
Процессоры. Назначение. Основные характеристики...............	4
2.    Многоядерные процессоры…………..………………………...	10
3.    Поколение процессора  ……………..………………………….	13
4.    Память процессора………….……….………………………….	15
5.  Маркировка. Основные проектировщики и производители….	17
Заключение ………………………………………………………….	23
Список использованной  литературы.……………………………..	23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Процессор является основным «мозговым» узлом, в задачу которого входит исполнение программного кода, находящегося в памяти. В настоящее время под словом «процессор» подразумевают микропроцессор – микросхему, которая, кроме собственного процессора может содержать и другие узлы – например кэш-память. Процессор в определённой последовательности  выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для пересылки, и обработки анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительные процессоры. В компьютер и обязательно должен присутствовать центральный процессор, (CPU – Central Processing Unit)который исполняет основную программу.

В настоящее  время микропроцессоры и процессоры вмещают в себе миллионы транзисторов и других элементов электронной логики и представляют сложнейшие высокотехнологичные электронные устройства. Персональный компьютер содержит в своем составе довольно много различных процессоров. Они входят в состав систем ввода/вывода контроллеров устройств.

За годы существования  микропроцессоров было разработано  множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне.

Каждое устройство, будь то видеокарта, системная шина или еще что-либо, обслужизается своим собственным процессором или процессорами. Однако архитектуру и конструктивное исполнение персонального компьютера определяет процессор или процессоры, контролирующие и обслуживающие системную шину и оперативную память, а также, что более важно, выполняющие объектный код программ.

 

 

1. Процессоры. Назначение. Основные характеристики.

Центральный процессор.

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.

Архитектуры процессоров:

• 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 20-30ком.)

 В современных  персональных компьютерах разных  фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

• Полная система команд переменной длины – Complex  Instruction Set Computer (CISC);
• Сокращенный набор команд фиксированной длины -  Reduced Instruction Set Computer (RISC).

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

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

. Наиболее сложным  функциональным устройством процессора  является устройство управления выполнением команд. Оно содержит

• Буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшая время ее выборки из памяти;
• Дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды;
• Управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;
• Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью  ПЗУ является то., что записанная в него информация сохраняется сколько угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.

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

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

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

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

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

• Имеет специальный внутренний КЭШ размером 2 Мбайта;
• Добавлена арбитражная шина, которая уменьшает нагрузку системной шины;
• Внутренняя микроархитектура процессора базируется на двух ядрах – параллельно работающих конвейерах команд (суперскалярная архитектура), которые исполняют сразу несколько команд в 12 разных фазах обработки(чтение, дешифрация, загрузка операндов, исполнение и т.д.). Конвейеры заканчиваются двумя АЛУ:АЛУ, работающим на удвоенной частоте процессора для коротких арифметических и логических команд, и АЛУ для выполнения медленных команд;
• Введено управление питанием ядра, которое включает в себя блок  температурного контроля, способный управлять отдельно питанием каждого ядра.

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 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).