Технические средства реализации информационных процессов: процессор и его характеристики

 

Министерство  образования и науки РФ

 
 
Государственное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования 
«название университета»

КАФЕДРА ИНФОРМАТИКИ

Реферат по информатике 
на тему:

Технические средства реализации информационных процессов: процессор и его характеристики

 
 
 
                                                     Выполнил:

                                                     студент  

                                                     Руководитель:  
 
 
 

Санкт-Петербург

2011 г.

 

Содержание

1. Технические средства        стр. 3
2. История появления процессоров      стр. 5
3. Процессор и его составляющие      стр. 6
4. Кэш-память процессора        стр. 7
5. Тактовая частота процессора       стр. 9
6. Системная шина                 стр. 10
7. Литература                  стр. 12

 

     1. Технические средства

     Совокупность  устройств, предназначенных для  автоматической или автоматизированной обработки данных, называется вычислительной техникой [2].

     Конкретный  набор, взаимодействующих между  собой устройств и программ, предназначенный  для обслуживания одного рабочего участка, называется вычислительной системой.

     Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.

     Компьютер – это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, обработки, хранения и транспортировки данных.

     Периферийными устройствами компьютера являются: дисплей, клавиатура, манипуляторы – мышь, джойстик, световое перо и т.п., винчестер, дисководы для гибких и компакт-дисков, принтер, плоттер, сканер, модем и пр.

     Порт – устройство, через которое периферийные устройства подключаются к системной магистрали.

     Структура компьютера основана на общих логических принципах, позволяющих выделить следующие устройства:

• память, состоящую из пронумерованных ячеек (ОЗУ и ПЗУ);
• процессор, включающий в себя арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Та часть процессора, которая выполняет команды, называется АЛУ, другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется УУ. Обычно эти 2 устройства выделяются условно, конструктивно они не разделены;
• устройство ввода;
• устройство вывода.

     Основу  персональных компьютеров составляет находящаяся в системном блоке системная ("материнская") плата, на которой размещены системные (центральные) устройства компьютера – процессор и память (оперативная и постоянная), соединенные между собой системной шиной (информационной магистралью), к которой подсоединяются контроллеры всех периферийных устройств, подключаемых к компьютеру (рис. 1).

 

     

     Рис. 1. Схема архитектуры персонального  компьютера

 

     Примечание. БР – блок регистров; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство; НЖМД – накопитель на жестком магнитном диске; НГМД – накопитель на гибком магнитном диске; НОД – накопитель на оптическом диске; ГТИ – генератор тактовых импульсов. [1]

 

 

2. История появления  процессоров

     Началось  всё в апреле 1969 года, когда некая  японская компания Busicom заказала у молодой, но уже очень амбициозной Intel несколько специальных микросхем для своих будущих калькуляторов.

      И таким образом первый процессор был выпущен за 10 лет до появления первого компьютера IBM PC. Он был разработан компанией Intel, назван Intel 4004, а его выпуск состоялся 15 ноября 1971 года. Рабочая частота этого процессора составляла всего 108 кГц (0,108 МГц!). Этот процессор содержал 2 300 транзисторов и производился по 10-микронной технологии. Шина данных имела ширину 4 разряда и позволяла адресовать 640 байт памяти. Процессор 4004 использовался в схемах управления светофоров, анализаторах крови и даже на межпланетной научно-исследовательской станции NASA Pioneer 10. Однако процессор содержал несколько серьёзных ошибок, и после напряженного труда, разработчики к февралю представляет вторую, подправленную, версию. Можно сказать, что именно с этого момента началось активное развитие в этой сфере.

 

 

3. Процессор и его  составляющие

     Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) - основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

     Центральный процессор содержит в себе: арифметико-логическое устройство; шины данных и шины адресов; регистры; счетчики команд; кэш - очень быструю память малого объема; математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

     Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров, которые физически представляют собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. 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.

 

 

4. Кэш-память процессора

     Кэш-память (Cache) - массив сверхбыстрой оперативной  памяти, являющейся буфером между контроллером системной памяти и процессором. В этом буфере сохраняются блоки данных, с которыми центральный процессор работает в данный момент, тем самым значительно уменьшается количество обращений процессора к медленной системной памяти. Тем самым заметно увеличивается общая производительность процессора. Различают кэш память 1-, 2- и 3-го уровней (маркируются L1, L2 и L3).

     Кэш память первого уровня (L1) - самый быстрый, но по объему меньший, чем у остальных. С ним напрямую работает ядро процессора. Кэш память 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа).

     Кэш память второго уровня (L2) – объем  этой памяти значительно больше, чем кэш память первого уровня.

     Кэш память третьего уровня (L3) – кэш  память с большим объемом и  более медленный чем L2.

     В классическом варианте существовало 2 уровня кэш-памяти – 1-ий и второй уровень. 3-ий уровень по организации отличается от кэш памяти 2-ого уровня. Если данные не обрабатывались или процессор должен обработать срочные данные, то для освобождения кэш память 2-ого уровня данные перемещаются в кэш память 3-го уровня.

     В кэш память 2-ого уровня изначально передаются все данные, для обработки центральным процессором, данные частично декодируются и переходят дальше в ядро.

     В кэш память 2-ого уровня из данных строятся цепочка инструкций, а в  кэше 1-ого уровня «зеркально» строятся внутренние команды процессора, которые  учитывают особенности процессора, регистры и т.д. В отличии от кэш памяти 1-ого уровня, кэш память 2-ого уровня для процессора имеет огромное значение, именно поэтому процессоры с наибольшим объемом кэша 2-ого уровня показывают высокую производительность.

 

 

5. Тактовая частота  процессора

Тактовая  частота - это количество тактов (операций) процессора в секунду. Тактовая частота  процессора пропорциональна частоте  шины (FSB). Как правило, чем выше тактовая частота процессора, тем выше его  производительность. Процессор выполняет  каждую машинную команду программы за определенное число тактов. Скажем, операция сложения в ее простейшем варианте выполняется за два такта. А вот операция деления может занять и 25 тактов. Таким образом, можно сделать следующий вывод: чем выше тактовая частота, тем быстрее работает компьютер.

        У специалистов существует своя  система измерения скорости процессора. Причем таких скоростей (измеряемых  в миллионах операций в секунду  — MIPS) может быть несколько — скорость работы с трехмерной графикой, скорость работы в офисных приложениях и так далее...

 

 

      6. Системная шина

Процессоры  можно классифицировать по двум основным параметрам: разрядности и быстродействию. Быстродействие процессора — довольно простой параметр. Разрядность процессора — параметр более сложный. В процессор входит три важных устройства, основной характеристикой которых является разрядность:

     шина  ввода и вывода данных;

     внутренние  регистры;

     шина  адреса памяти.

     Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную как набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает. Разрядность шины данных подобна количеству полос движения на скоростной автомагистрали; точно так же, как увеличение количества полос позволяет увеличить поток машин по трассе, увеличение разрядности позволяет повысить производительность. Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время.

     Количество  битов данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется  разрядностью внутренних регистров. Регистр - это, по существу, ячейка памяти внутри процессора; к примеру, процессор может уложить числа, записанные в 2-ух разных регистрах, а итог беречь в 3-ем регистре. Разрядность регистра описывает количество разрядов обрабатываемых процессором данных. Разрядность регистра также описывает свойства программного обеспечения и команд, исполняемых чипом. К примеру, процессоры с 32-разрядными внутренними регистрами могут исполнять 32-разрядные команды, которые обрабатывают данные 32-разрядными дозами, а процессоры с 16-разрядными регистрами этого делать не могут.

     Шина  адреса представляет собой набор  проводников; по ним передается адрес  ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Как  и в шине данных, по каждому проводнику передается один бит адреса, соответствующий  одной цифре в адресе. Увеличение количества проводников (разрядов), используемых для формирования адреса, позволяет увеличить количество адресуемых ячеек. Разрядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором. Если шина данных сравнивалась с автострадой, а ее разрядность — с количеством полос движения, то шину адреса можно ассоциировать с нумерацией домов или улиц.

 

     Литература

1. Алексеев А.П. Информатика 2007 / А.П. Алексеев. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007. – 608 с.
2. Макарова Н.В. Информатика: учеб. пособие для вузов / Н.В. Макарова, Н.В. Бройдо. – М.: Академия, 2003. – 768 с.
3. http://www.archcad.ru/ (характеристики CPU)
4. http://www.wikipedia.ru/ (термины)