Классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров персональных компьютеров

                            Контрольная работа

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО

Всероссийский заочный финансово-экономический институт

Филиал г.Барнаул

Кафедра математики и информатики

КOНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Информатика»

на тему «Классификация, структура и основные

характеристики микропроцессоров ПК»

Барнаул – 2009
Оглавление

Введение

История создания микропроцессора

Структура микропроцессора

Характеристики микропроцессоров

Классификация микропроцессоров

Заключение

Список литературы.

Введение

Для написания контрольной работы по информатике выбрана тема: «Классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров персональных компьютеров (ПК).

Актуальность этой темы состоит в том, что сегодня нашу жизнь невозможно представить без активного использования электронно-вычислительной техники.

Процесс взаимодействия человека с ЭВМ насчитывает уже более сорока лет. До недавнего времени в этом процессе могли участвовать только специалисты - инженеры, математики - программисты, операторы. В последние годы произошли кардинальные изменения в области вычислительной техники. Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились малогабаритные удобные для пользователя персональные компьютеры. В роли пользователя сейчас может быть не только специалист по вычислительной технике, но и любой человек, будь то школьник или домохозяйка, врач или учитель, рабочий или инженер.

Микропроцессор компьютера является основой современной компьютерной техники. И от того, какой микропроцессор будет использоваться в персональном компьютере, будет зависеть диапазон выполняемых задач.

Для раскрытия темы контрольной работы рассмотрим ряд таких вопросов, как: история создания процессора, структура микропроцессора, его характеристики, квалификация микропроцессоров.

Для  выполнения данной контрольной работы использовался  персональный компьютер с системой Microsoft Windows XP Professional, версия 2008, Service Pack 3, процессор Pentium (R) III Celeron CPU 1200 МHz, 1024 MБ ОЗУ, версия Word  Excel 2003

История создания микропроцессора

Первый микропроцессор INTEL 4004 на четырех кристаллах, появился в 1971г., когда много спорили о его применимости и покупательском спросе на него. Он был построен по идее Т. Хоффа (фирма INTEL) для калькулятора, который мог реализовывать простейший набор команд аппаратным способом, но имелась возможность хранить сложные последовательности команд в постоянном запоминающем устройстве. Результатом предложений Т. Хоффа был проект устройства на четырех кристаллах: центрального процессора, постоянного запоминающего устройства (R. 175 ROM), памяти с произвольной выборкой (R.011 RAM) и сдвигового регистра (S.140 shift-register).  Проект был реализован в 1970 году под руководством Ф. Фаггина, позже основавшего фирму Zilog. Intel 4004 имел четырехбитовую шину данных, адресуемую память емкостью 4,5 Кбит и выполнял 45 команд.

Его восьмиразрядный аналог – Intel 8008 – был создан в 1974г. Этот процессор стал "мозгом" первого персонального компьютера "Альтаир", названного по имени звезды, к которой был запущен межпланетный корабль Энтерпрайз из телесериала "Космическая одиссея". Десятки тысяч экземпляров комплекта для самостоятельной сборки Альтаира, по цене $395, разошлись за несколько месяцев. На только что появившемся рынке ПК впервые образовался дефицит.[9, с.295]

В 1978 году крупная партия микропроцессоров 8086-8088, приобретенная вновь образованным подразделением корпорации IBM по разработке и производству персональных компьютеров, сделала процессор 8088 "мозгом" нового хита сезона — IBM PC. Успех новинки возвел Intel в число 500 крупнейших американских промышленных компаний, список которых ежегодно публикуется журналом Форчун.

В 1982 году микропроцессор 286, известный также под наименованием 80286, стал первым процессором Intel, способным выполнять любые программы, написанные для его предшественников. С тех пор такая программная совместимость остается отличительным признаком семейства микропроцессоров Intel. Спустя 6 лет с момента выпуска 286-го, количество персональных компьютеров на базе этого процессора оценивалось в 15 миллионов по всему миру.

1997 год: процессор Pentium® II

Процессор дает пользователям возможность вводить в ПК и обрабатывать цифровые фотоизображения, пересылать их друзьям и родственникам через Internet, создавать и редактировать тексты, музыкальные произведения и даже сценки для домашнего кино, передавать видеоизображения по обычным телефонным линиям и по Internet.

2000 год: процессор Pentium® 4

Объявлен в 2000 году

Количество транзисторов: 42 млн

Частота системной шины: 400 MГц

Пользователи ПК на базе процессора Pentium® 4 могут создавать профессионально оформленные видеофильмы; смотреть видео телевизионного качества через Интернет; общаться друг с другом "вживую" с передачей речи и изображения; воспроизводить трехмерную графику в режиме реального времени; быстро оцифровывать музыку для MP3-плееров; одновременно запускать несколько мультимедийных приложений при активном соединении с Интернетом. Процессоры этого поколения содержат 42 млн. транзисторов, а ширина проводников составляет всего 0,18 микрон.

Среди современных (по состоянию на 2010г.) микропроцессоров можно назвать: Intel Core i7-950 (с быстрыми интеллектуальными многоядерными технологиями, применяющими вычислительную мощность там, где она нужна больше всего. Они повышают производительность многозадачных приложений и раскрывают непревзойденные возможности создания мультимедийных материалов), Intel Core i5-670, AMD Phenom II X4 955(процессор для платформы AM3. Тактовая частота процессора — 3,2 ГГц, что автоматически делает его самым мощным чипом семейства Phenom II. Объем КЭШа – 8 мегабайт, при этом максимальная расчетная потребляемая процессором мощность держится на уровне 125 Вт)

На сегодняшний день в продаже имеются и более дешевые, но менее производительные микропроцессоры, такие как  AMD Sempron 140, Intel Celeron.

Структура микропроцессора

Центральный процессор — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

изически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, в котором содержится множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее вычислять, производя определённые математические операции с числами, в которые преображается любая поступающая в компьютер информация. Таких транзисторов в любом микропроцессоре многие миллионы. Сегодняшний процессор – это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств.

Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

арифметико-логическое устройство;

устройство управления;

микропроцессорную память;

регистры;

шины;

кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

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

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

       формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;

       формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;

       получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах.

4. Кэш-память. Буферная память — своеобразный накопитель для данных. В современных процессорах используется два типа кэш-памяти: первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня — чуть помедленнее, зато больше — от 128 килобайт до 2 Мб [3, с.38].

5. Процессор связан несколькими группами проводников называемых шинами с остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

1.                      Адресная шина. Шина или часть шины, предназначенная для передачи адреса, а именно используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

2.                      Шина команд. По ней передаются управляющие сигналы,  предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

3.                      Шина данных — информационная магистраль, благодаря которой процессор может обмениваться данными с другими устройствами компьютера.

Все эти устройства размешаются на кристалле площадью не более 4—6 квадратных сантиметров! Только под микроскопом мы можем разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, соединяющие их металлические «дорожки» (изготавливаемые из алюминия, меди).

Характеристики микропроцессоров

Существуют важные характеристики процессора, которые прямо связаны с возможностями и скоростью работы.

Производительность микропроцессора определяется параметрами:

1.      Тактовая частота (Частота  ядра) – это  количество электрических импульсов в секунду. Каждый импульс несет в себе некую информацию - это могут быть команды процессору или данные памяти. Тактовая частота задается кварцевым генератором - одним из блоков, расположенных  на материнской плате. Тактовая частота кварцевого генератора  выдерживается  с очень высокой точностью и лежит в мега или  гигагерцовом  диапазоне. Пик опроса сегодня приходится на процессоры с частотой от 3 до 4 ГГц.

2.      Частота системной шины; - системная шина служит  для  связи микропроцессора с остальными устройствами. Микропроцессор имеет две частоты: тактовая частота ядра и частота системной шины. Чем выше частота системной шины, тем выше  скорость  передачи  данных между микропроцессором и остальными устройствами. Частота системной шины современных микропроцессоров от 800 МГц до 2000 МГц. В новых моделях частота системной шины от 1333 МГц. Для повышения производительности процессора в современных материнских платах используется двунаправленная шина данных, а в последних моделях применяется и трехнаправленная шина данных.

3.      Объем Кэш-памяти. Кэш-память – быстрая память  малой  емкости, используемая процессором для ускорения операций, требующих обращения к памяти. Кеш – промежуточное звено между микропроцессором и оперативной памятью. Различают несколько уровней кэша: кэш первого уровня (L1) – кэш команд (инструкций), которые предстоит исполнить, кэш  первого уровня размещается на одном кристалле с процессором. Кэш второго уровня (L2) – кэш данных - используется для ускорения операций с данными  (в первую очередь чтения). На общую производительность влияет размер кэша L2. Чем больше L2, тем дороже процессор, т.к. память для кэша еще очень дорога. Поэтому эффективнее увеличивать частоту кэша, а для этого он должен находиться как можно ближе к ядру процессора. Современные микропроцессоры имеют кэш объемом от 8 Кб до 12Мб. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и размеры технических средств обработки информации, увеличить их быстродействие, снизить энергопотребление. Сейчас микропроцессоры выпускаются многими производителями. Некоторые микропроцессоры могут быть дополнены сопроцессорами, расширяющими возможности первых и набор выполняемых команд.

4.      Многоядерность процессоров. История развития центральных процессоров довольно интересна. Если проследить за ней с появления первых настольных компьютеров, то становится очевидно, что основным двигателем производительности было повышение тактовой частоты. Но всё в природе имеет придел. С увеличением частоты тепловыделение процессоров нелинейно растёт, что в конечном итоге приводит к слишком высоким значениям. Не помогает даже использование более тонких технических процессов при создании транзисторов. Многоядерность сродни использованию нескольких отдельных процессоров в одном компьютере. Только находятся они в одном кристалле и не полностью независимы (например, использование общей кэш-памяти). При использовании уже имеющегося программного обеспечения, созданного для работы только с одним ядром, это даёт определённый плюс. Это привело к возможности одновременного запуска двух ресурсоёмких задач без какого-либо дискомфорта. Тем самым увеличивается общая производительность