Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Электронные вычислительные машины начали широко использоваться с 50-х годов прошлого столетия. Предшественники современных электронных устройств имели большой размер, малую производительность и высокую стоимость. Пользоваться ими могли только исследовательские институты, государственные и военные структуры. Но появление микропроцессора стало переломным моментом в развитии техники. Постепенное развитие позволило уменьшить размеры вычислительных машин, увеличить их возможности и сделать более доступными большому количеству людей.

Основой современной техники являются микропроцессорные средства, такие как: микропроцессор (МП), микроконтроллер (МК) и интегрированные процессоры (ИП). Широкая номенклатура и различные функциональные возможности позволяют специалистам разрабатывать конкурентоспособные системы различного назначения. Так как жизнь современного человека невозможно представить без персонального компьютера, то остановимся на подробном рассмотрении микропроцессоров, которые станут темой данной курсовой работы.

Целью курсовой работы станет раскрытие понятия микропроцессора. Для этого рассмотрим его основные характеристики, строение, классификацию, а также проследим за тенденциями развития. В качестве примера приведем сравнительную характеристику различных поколений микропроцессоров современных ПК.

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА

1.1 История создания

Первые цифровые электронные вычислительные машины (ЭВМ), изготовленные с использованием электронных ламп (первое поколение ЭВМ), были созданы исключительно для выполнения объемных научно-технических расчетов. Первая в мире ЭВМ «ЭНИАК», созданная в 1945 году учеными Пенсильванского университета (США) весила 30 тонн, содержала 18 тысяч электронных ламп и стоила почти 2,8 млн. долларов по ценам того времени. При этом она выполняла около 5000 операций сложения или примерно 360 операций умножения в секунду.

Первые отечественные ламповые вычислительные машины МЭСМ и БЭСМ были созданы под руководством академика С.А. Лебедева, МЭСМ (малая электронная счетная машина), созданная в 1951 году, сыграла важную роль в подготовке первых в стране программистов, инженеров и конструкторов ЭВМ, интенсифицировала разработку электронных элементов специально для применения в ЭВМ. БЭСМ (большая электронная счетная машина), являясь в то время самой быстродействующей ЭВМ в мире (8 тысяч операций в секунду), открыла серию машин, получивших широкое распространение в СССР. В первой половине 50-х годов у нас в стране появились ЭВМ серий «Стрела» и «Урал», а в 60-х годах – «Мир», «Проминь», «Раздан», «Минск». Эти машины могли справиться с широким кругом математических и логических задач, встречающихся при решении научных и сложных инженерных проблем [8, стр.5].

Освоение и промышленный выпуск полупроводниковых приборов обеспечили замену «громоздких и горячих» электронных ламп «миниатюрными и теплыми» транзисторами. Это привело к созданию вычислительных устройств, характеризующихся более высокими быстродействием, надежностью и функциональными возможностями при меньших габаритах, стоимости и эксплуатационных расходов (второе поколение). Серийные машины второго поколения «Минск -32» и «Урал-16» имели быстродействие порядка 250 000 и 100 000 операций в секунду. Их оперативная память удерживала соответственно 65 000 и 500 000 чисел. ЭВМ «Минск-32», например, могла работать со 136 внешними устройствами, а управлял ею один оператор с помощью пишущей машинки.

Появление быстродействующих алфавитно-цифровых печатающих устройств (АЦПУ), устройств ввода (способных пропускать до 1000 перфокарт в минуту), графопостроителей дало возможность гибко менять форму выдачи результатов, например, печатать их в виде таблиц со словесным описанием приведенных величин либо оформлять в виде готовых графиков. На этом этапе развития ЭВМ предпринимались попытки для управления промышленными технологическими процессами – управляющие вычислительные машины [8, стр 7].

К концу 60-х годов, для повышения эффективности использования ЭВМ при обработке данных и управлении, стало необходимо создавать модели ЭВМ разной производительности, но в то же время, одинаковые по организации и имеющие программную совместимость. Программная совместимость означает возможность использовать запас программ, предназначенных для одной ЭВМ, на машинах других моделей, за счет чего снижаются затраты на обработку информации.

Третьему поколению ЭВМ положили начало принцип программной совместимости и технология интегральных схем, что повлияло на уменьшение размеров, а также стоимостных показателей. Модульный принцип организации технических и программных средств обеспечил возможность построения приспособленных для определенной задачи конфигураций ЭВМ. Фирма IBM (США) в 1966 году первыми приступили к выпуску машин серии IBM-360, которые в 1972 году стали совместимы с ЭВМ, выпускаемыми в других странах.

Появляются меньшие по объему установки: малые ЭВМ, малые управляющие ЭВМ, мини-ЭВМ.

Мини-ЭВМ (малые ЭВМ) – вычислительные машины общего назначения. По сравнению с большими машинами имеют меньшие габариты и стоимость на один-два порядка ниже. В состав мини-ЭВМ включено арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое имеет малую разрядность и сравнительно небольшой набор команд. Примером мини-ЭВм являются машины серии АСВТ (М-6000, М-6010), а также СМ (СМ-4, СМ-1600) и другие [7, стр. 7].

Также на данном этапе развития создаются бортовые информационно-управляющие системы, разрабатываются системы программного обеспечения, появляются суперЭВМ основным направлением которых было достижение максимальной производительности вычислительных процессов.

СверхбольшиеЭВМ (СуперЭВМ) – машины очень высокой производительности, предназначенные для выполнения сложных научных расчетов. Они производят от 1 до 12 миллионов операций в секунду и имеют емкость оперативной памяти от 576 до 4608 Кбайт. Примером такой ЭВМ является «Эльбрус», которая включает от одного до десяти процессоров, что определяет производительность и емкость основной памяти [7, стр. 7]. «Эльбрус» - серия советских суперкомпьютеров, разработанных в Институте точной механики и вычислительной техники в 1970 – 1980-х годах под руководством В. С. Бурцева [13].

Четвертое поколение ЭВМ служит примером перехода количества в качество. Интеграция электронных схем увеличилась настолько, что стало технически возможным сосредоточить значительное число функциональных устройств в одной большой интегральной схеме (БИС) [8, стр. 9].

Развитие микроэлектронной технологии, обеспечившее появление больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), создало предпосылки для резкого снижения стоимости систем управления. Но практическая реализация достижений технологии БИС и СБИС в широких масштабах стало возможным только с изобретением микропроцессора [6, стр. 5].

Микропроцессор (МП) – является программно-управляемым устройством, состоящим из АЛУ, внутренних регистров и устройств управления (УУ). Он предназначен для реализации заданной системы команд. От ЭВМ микропроцессор отличается не только своими малыми размерами, но и малой разрядностью чисел (от 4-х до 32-х разрядов) [7, стр. 8]. Если ссылаться на официальную терминологию, то под микропроцессором понимается программно управляемое устройство, осуществляющее прием, обработку и выдачу цифровой информации, построенное на одной или нескольких микросхемах, входящих в состав микропроцессорного комплекта микросхем. Соответственно микропроцессорным комплектом микросхем (МПК) – называется совокупность микропроцессорных и других микросхем, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного использования при построении микропроцессоров, микроЭВМ, контроллеров и других средств вычислительной техники [4].

Разработка первого однокристального микропроцессора принадлежит компании Intel (США), который вышел в 1971 году. Благодаря физику Федерико Фаджино, компании удалось разместить основные компоненты на один чип и создать микропроцессор 4004. 4-х битный Intel 4004 производился по 10-мкм техпроцессу, насчитывал 2250 транзисторов и работал на частоте 108 кГц (проводил 92600 операций в секунду). Частота синхронизации была 740 кГц. Объем памяти доходил до 4 Кб, разрядность шины – 4 бита. Площадь кристалла составляла 12 мм² [14]. Среди первых отечественных микропроцессоров можно выделить К580, К588, К1801, К1810 и другие. Их сравнительную характеристику рассмотрим на рисунке 1:

Рисунок 1. Сравнительные характеристики отечественных МПК с системой команд пользователя

Начиная с 1980 года практически все ЭВМ стали создавать на основе микропроцессоров. Самым востребованным компьютером стал персональный.

Первый персональный компьютер создали в апреле 1976 года: Стив Джобс (сотрудник фирмы Atari) и Стефан Возняк (работавший в компании Hewlett). На базе интегрального восьмибитного контроллера жестко запаянной схемы популярной электронной игры, они сделали простой программируемый на языке Бэйсик игровой компьютер «Apple», который имел бешеный успех. В начале 1977 года была зарегистрирована фирма Apple Comp., и началось производство первого в мире персонального компьютера (ПК) [2, стр. 41].

Первые отечественные персональные компьютеры – ЕС1840, ЕС1841, ЕС1845, ЕС 1860, Искра 1030, 1031, ДВК, Электроника 85 и другие. Например, «Искра 1030» (представлен на рисунке 2), выпущенный в 1989 году, создавался на основе процессора КР1810ВМ86, размер памяти – 256Кб – 1 Мб, операционные системы АДОС, ЯНУС, MS-DOS, M86. Комплектация содержала: HDD – CM5508 (Болгарский ИЗОТ) и Floppy – ЕС5323-01.

Рисунок 2. Персональный компьютер Искра 1030

В настоящее время развитие микропроцессоров достигло такого уровня, что сферы их применения можно считать практически неограниченными. Универсальность систем, построенных на микропроцессорах, обеспечивает их доступность широкому кругу потребителей. Совместно с низкой стоимостью, возможность специализации систем под конкретные задачи.

Рассмотрим подробнее структуру микропроцессора

1.2. Состав микропроцессора

В параграфе 1.1 мы уже давали определение микропроцессора. Теперь рассмотрим более детально его состав, представленный на рисунке 3:

Рисунок 3. Структура микропроцессора

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) состоит из сдвигающего регистра, регистров для временного хранения операндов и двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса. АЛУ выполняет по командам простейшие операции, такие как: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Устройство управления (УУ) управляет работой АЛУ и состоянием внутренних регистров в процессе выполнения команды. Команда делится на две части: код операции и адрес. Информация об операции, которая должна быть выполнена над данными подлежащими обработке, содержится в коде операции. Место (регистры общего назначения в микропроцессоре), где расположены данные указано в адресе. Команда может состоять из одного, двух или трёх байтов, последовательно расположенных в памяти.

Например:

MOV R1, A; // Скопировать содержимое регистра А в регистр R1;

Приведенная выше команда – это однобайтовая команда, так как в ней используется только внутренний регистр процессора.

MOV A, 3052; // скопировать содержимое 3052 ячейки памяти в регистр А;

Данная команда указывает адрес операнда в системной памяти, поэтому будет содержать два или три байта.

Код операции содержит первый байт команды. Первый байт, считанный в начале выполнения команды поступает в регистр команд по внутренней шине данных и хранится там в течении всего цикла. Дешифратор кода операции дешифрует содержимое регистра команд – определяет характер операции и адреса операндов. Эта информация подаётся в УУ, которое вырабатывает управляющие сигналы, направляемые в блоки микропроцессора, участвующие в выполнении данной команды [5, стр. 7].

Если код операции непосредственно указывает адрес данных – объекта обработки, в таком случае операция начинается сразу после считывания первого байта команды. Если же в команде содержится более одного байта, то остальные байты, где хранятся данные, передаются либо в буферный регистр адреса, либо в один из регистров общего назначения только после завершения всей процедуры считывания команды.

Блок внутренних регистров (БВР) - используется для временного хранения данных и команд, и служит внутренней памятью микропроцессора. Он содержит регистры общего назначения и специальные регистры (буферный регистр данных или адреса, регистр-аккумулятор, счетчик команд, признаков, стека).

Регистры общего назначения (РОН) – используются для хранения операндов, либо выполняют роль регистров. Их число в микропроцессоре варьируется от 4-х до 64-х.

Регистр – аккумулятор – используется для хранения промежуточного результата действий, производимых в АЛУ или временного хранения операнда. Разрядность регистра равна разрядности информационного слова.

Буферный регистр адреса - предназначен для приёма и хранения адресной части выполняемой команды. Разрядность регистра указывает на возможное количество адресов.

Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед передачей его во внешнюю шину данных. Количество байт информационного слова указывает на разрядность регистра.

В счётчике команд содержится адрес ячейки памяти, в которой помещены байты выполняемой команды, а код этой команды принимает и хранит регистр команд.

Регистры стека делятся на стек и указатель стека.

Стек - набор регистров, хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам или состояние внутренних регистров при обработке прерываний. Запись данных в стек производится по принципу LIFO («Last In – First Out» или «последним пришел - первым ушел») [15]. Для обращения к нему необходим специальный регистр – указатель стека.

Указатель стека – содержит указатель на вершину стека в текущем сегменте стека [12, стр. 469], т.е. хранит адрес последней занятой ячейки стека. Противоположный конец стека называется дном стека.

Регистр признаков предназначен для фиксации и хранения признаков, характеризующих результат последней выполненной логической или арифметической операции [9, стр. 124]. Триггеры-флажки устанавливаются в значения 0 или 1 в зависимости от результата операции, выполненной в АЛУ, и определяют содержимое регистра.

Взаимодействие с периферийными устройствами производится с помощью регистров ввода-вывода.

ГЛАВА 2 ТИПЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ И ИХ КЛЮЧЕВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1. Классификация микропроцессоров

Все современные микропроцессоры можно классифицировать по семи признакам. Остановимся подробно на каждом из них.

1. Классификация по назначению:

• Универсальные;
• Специализированные.

Универсальные микропроцессоры применяются для решения широкого круга разнообразных задач, при этом их производительность слабо зависит от специфики решаемой задачи.

Специализированный микропроцессоры, к ним относят различного рода микроконтроллеры, направленные на выполнение сложных логических операций, математические микропроцессоры для решения математических задач, микропроцессоры для обработки данных и т.д.

1. Классификация по числу больших интегральных схем, задействованных в микропроцессоре:

• Однокристальные;
• Многокристальные;
• Многокристальные секционные.

Однокристальные микропроцессоры – это одна сверхбольшая интегральная схема (СБИС, либо ультрабольшая ИС (УБИС) или гигабольшая ИС (ГБИС)) – один кристалл, на котором расположены все аппаратные и функциональные блоки процессора (регистры, АЛУ, стеки и т.д.).

Многокристальные микропроцессоры – несколько отдельных СБИС, которые выполняют каждая свои определенные функции автономно. Такая необходимость появилась из-за ограниченных технологических ресурсов кристалла, используемого в однокристальных микропроцессорах.

Многокристальные секционные – выполняют ту же задачу, что и многокристальные, отличие состоит в способе разбиения логической структуры процессора. Обычно микропроцессорная секция - это СБИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС микропроцессора подразумевает возможность «наращивания» разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при «параллельном» включении большого числа БИС [10, стр.94].

1. Классификация в соответствии с архитектурными особенностями, определяющими свойства системы команд [5, стр.9], различают:

• Микропроцессоры с CISC архитектурой;
• Микропроцессоры с RISC архитектурой;
• Микропроцессоры с MISC архитектурой.

CISC архитектура (Complex Instruction Set Computer) – компьютер со сложной системой команд. Данная архитектура была реализована первой и имеет большое количество команд. К данной категории относятся все микропроцессоры компании Intel и AMD.

RISC архитектура (Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с сокращенной системой команд. В данной архитектуре, за счет упрощения инструкций, увеличивается быстродействие. В настоящее время многие архитектуры процессоров являются RISC-подобными, например, ARM, SPARC, AVR и Power PC.

MISC архитектура (Minimum Instruction Set Computer) – компьютер с минимальной системой команд. Последовательность простых инструкций объединяется в пакет [5, стр.10]

1. Классификация по характеру временной организации работы:

• Синхронные;
• Асинхронные.

В синхронных микропроцессорах начало и конец выполнения операций задаются устройством управления, время выполнения операций при этом не зависит от вида команд и величин операндов.

В асинхронных микропроцессорах начало выполнения каждой следующей операции определяется сигналом фактического окончания выполнения предыдущей операции [10, стр. 96].

1. Классификация по количеству выполняемых программ:

• Однопрограммные;
• Многопрограммные.

В однопрограммном МП в текущий момент времени выполняется только одна программа, выполнение которой начнется только после окончания выполнения предыдущей.

В многопрограммном МП соответственно выполняется сразу несколько программ.

1. Классификация по виду входного сигнала:

• Аналоговые;
• Цифровые.

Данная классификация основана на том, что в составе микропроцессора могут быть аналого-цифровые (АЦП) или цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Например, в микропроцессор поступает входной аналоговый сигнал через АЦП, что соответственно относит его в класс аналоговых.

1. Классификация по организации структуры микропроцессорных систем [10, стр.96]:

• Одномагистральные;
• Многомагистральные.

В одномагистральных процессорах подключение к общей информационной магистрали, происходит с помощью одного интерфейса, а в многомагистральных – каждого подключение производится отдельно, что сказывается на быстродействии, но увеличивает аппаратные затраты.

2.2. Основные характеристики

Перейдем к рассмотрению основных характеристик микропроцессоров, благодаря которым можно подобрать процессор в зависимости от поставленной задачи при проектировании различных микропроцессорных систем.

К основным характеристикам относят:

1. Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно [5 стр.10]. Последние поколения современных микропроцессоров для ПК в основном строятся на архитектуре 64-х бит. Например, i7-6700 (6-е поколение) компании Intel или Ryzen 7 1800X компании AMD.
2. Рабочая тактовая частота – определяет количество элементарных операций(тактов), которые он может выполнить за одну секунду [1 стр.98]. Измеряется в герцах. При этом, не стоит забывать, что количество операций в секунду, выполняемых компьютером, не совпадает с количеством операций, выполняемых процессором за ту же единицу времени. Чем выше тактовая частота, тем больше скорость процессора. На данный момент разработаны процессоры серии FX компании AMD способные работать на тактовой частоте 5ГГц.
3. Виды и размер кэш-памяти. В кэш-память помещаются все часто используемые данные, соответственно от ее размера зависит производительность процессора. Она подразделяется несколько видов. Самая быстрая – это память первого уровня (L1). Она является неотъемлемой частью процессора, работает на его частоте и зачастую выполняет несколько операций чтения/записи одновременно. В современных процессорах эта память обычно разделена на два уровня: кэш-команд и кэш-данных.

Память второго уровня (L2) – следующая по быстродействию. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования – при общем объеме кэша в n Мб на каждое ядро приходится по n/c Мб, где c – количество ядер процессора [16]. Например, у процессоров AMD FX 9590 – кэш L2 8 Мб (4x2 Мб).

Кэш третьего уровня (L3) может быть большой (более 24 Мб) и она наименее быстродействующая. Предназначена в основном для синхронизации данных L2.

Существует и четвертый уровень кэша, но он используется в основном для серверов и обычно реализован в виде отдельной микросхемы.

1. Частота системной шины. С помощью системной шины производится обмен данных процессора между чипсетом и материнской платой [11 стр.63]. Обозначается аббревиатурой FSB и в спецификации выражается в герцах, либо в значении пропускной способности. Частота системной шины всегда меньше частоты процессора, т.к. системная шина не может работать на больших частотах.
2. Тип конструктивного исполнения – устройство корпуса процессора. Определяет совместимость процессора, т.е. допускает его установку только в соответствующий разъем на материнской плате (Socket). Например, современные процессоры Intel используют Socket 2066.
3. Технологический процесс изготовления определяет размеры элементов и соединений между ними в интегральной схеме. Измеряется в микрометрах и нанометрах. Чем меньше изготовленный кристалл, тем меньше потребляемая мощность и тепловыделение. Это значительные характеристики, так как например, большое тепловыделение сильно влияет на частоту работы микропроцессора – она снижается. Современные процессоры уже могут производится на 14 нм техпроцессе.
4. Количество ядер. Двухъядерные или многоядерные процессоры – это два или более отдельных процессоров, которые расположены на одном кристалле или в одном корпусе [3, стр.82]. Наличие дополнительных ядер в микропроцессоре позволяет ему принимать и обрабатывать сразу несколько потоков команд и данных. В качестве наглядного примера на рисунке 4 сравним работу одноядерного и двухъядерного процессоров:

Рисунок 4. Сравнение обработки двух потоков задач в одноядерном и двухъядерном процессорах.

В настоящее время существуют процессоры с 10-ю и более ядер, например, процессор компании Intel i9-7900x.

1. Эксплуатационные параметры микропроцессоров:

• Напряжение питания микропроцессора – величина питающего напряжения. Напряжение напрямую зависит от технологического процесса и частоты ядра, т.е. чем меньше размер кристалла и частота, тем меньше напряжение питания;
• Ток ядра;
• Потребляемая мощность (энергопотребление) прямопропорциональна изменению напряжения питания и частоты ядра. Например, у нового поколения процессоров Intel i7-7740X энергопотребление 112 Вт.
• Максимальная температура нагрева кристалла – это критическая температура, при которой возможна стабильная работа процессора. Данное значение у современных микропроцессоров колеблется в пределах 65…95°С.

В спецификации микропроцессора производитель чаще всего указывает значение потребляемой мощности и максимальную температуру, т.к. остальные эксплуатационные характеристики не так важны для рядового пользователя.

Чтобы обобщить представление о характеристиках микропроцессора для ПК рассмотрим характеристики процессора компании Intel i7-6700 [17], собранные в таблице 1:

Таблица 1 «Характеристики процессора i7-6700»

Название характеристики	Значение
Разрядность	64-бит
Рабочая тактовая частота	3,4 ГГц
Размер кэш-памяти	8 Мб
Частота системной шины	8 ГТ/с
Тип конструктивного исполнения(Socket)	FCLGA1151
Технологический процесс	14нм
Количество ядер	4
Потребляемая мощность	65Вт
Максимальная температура	71°С

Конечно характеристик микропроцессоров значительно большее количество, но в данном параграфе собраны ключевые характеристики необходимые простому пользователю при выборе процессора для своего персонального компьютера в зависимости от предъявляемых требований.

От момента представления нового процессора до снятия его с производства проходит около года. Также постоянно выходят новые операционные системы, программы, приложения, требующие больших аппаратных ресурсов, что ускоряет процесс «морального устаревания» техники. Всё это обязывает потребителя легко ориентироваться в линейках всех современных выпускаемых микропроцессоров.

2.3. Микропроцессор в современном ПК

В настоящее время крупными производителями процессоров для ПК являются AMD и Intel, которые занимают лидирующие позиции в этой области на протяжении приблизительно 3-х десятков лет. Отечественный производитель «Московский центр SPARC-технологий» (МЦСТ) в настоящее время большими темпами нагоняет выше перечислены компании. Ведутся интенсивные исследования и разработки архитектуры микропроцессоров «Эльбрус». Рассмотрим более подробно современные линейки микропроцессоров и проведем небольшой сравнительный анализ.

2.3.1. Микропроцессоры Intel

Последние выпущенные процессоры компанией Intel представлены архитектурой Kaby Lake в 2017 году, а в 2015 году – Skylake. Проследим как менялись характеристики, технологии данных линеек процессоров.

Архитектура Skylake (6 поколение) появилась в 2015 году. Процессоры этого поколения производятся по 14 нм техническому процессу, имеют 11 металлических слоев, около 1 750 000 000 транзисторов, что обеспечило более компактные размеры (~9,19мм×11,08мм). Вся сводка усовершенствований представлена на рисунке 5 [18]:

Рисунок 5. Архитектура Skylake

• Многоядерная архитектура повышенной производительности, больше инструкций на такт, сниженное потребление электроэнергии;
• Расширенная кольцевая шина, повышенной пропускной способности;
• Графика с тремя разными конфигурациями с eDRAM и поддержкой OpenCLTM 2.0 API, DirectX 12 и OpenGL 4.4;
• Обновленный контроллер памяти поддерживает более быструю память DDR4, LPDDR3;
• Поддержка разрешения экранов до 4К;
• Поддержка PCLe для внешних графических адаптеров;
• Улучшенный набор микросхем с расширенным набором ввода-вывода для поддержки различных типоразмеров устройств, обновленный цифровой сигнальный процессор звука, новый узел датчиков;
• Повышение пропускной способности в 2 раза благодаря промежуточным подключениям в «системе на кристалле»;
• Процессоры обработки изображений для трансформеров и планшетов без добавления дополнительных компонентов на плату.

Также эти усовершенствования позволили увеличить производительность процессора на 60% по сравнению с процессорами пятилетней давности, возможности графической подсистемы выросли в 11 раз, а перекодировка видео осуществляется в 6 раз быстрее [19].

Архитектура Kaby Lake практически полностью повторила своего предшественника, за исключением незначительного увеличения некоторых параметров. Для более детального анализа, в таблице 2 [19] приведем характеристики процессоров 2-х поколений:

Таблица 2 «Сравнение характеристик процессоров i7-6700K и i7-7700K»

Название параметра	i7-6700K	i7-7700K	Изменение параметров
Разрядность	64	64	-
Рабочая тактовая частота	4 ГГц	4,2 ГГц	+200 МГц
Частота системной шины	8ГТ/с	8 ГТ/с	-
Размер кэш-памяти	8 Мб	8 Мб	-
Тип конструктивного исполнения(Socket)	FCLGA1151	FCLGA1151	-
Технологический процесс	14 нм	14 нм	-
Количество ядер	4	4	-
Потребляемая мощность	91 Вт	91 Вт	-
Максимальная температура	100°С	64°С	-36°С

Из таблицы 2 можно сделать вывод, что изменения между процессорами двух последних поколений не значительны. Разница заключается лишь в небольшом увеличении тактовой частоты. Также в новом поколении незначительно увеличилась производительность (рисунок 6 [20]):

Рисунок 6. Сравнение производительности при выполнении различных задач

Развитие процессоров компании Intel не стоит на месте. Учитывая довольно провальные процессоры серии Kaby Lake, в сентябре 2017 года было анонсировано новое поколение с архитектурой Coffe Lake и Cannonlake[19].

2.3.2. Микропроцессор AMD

Два последних поколения процессоров компании AMD представлены архитектурами Bulldozer и Zen, выпущенные соответственно в 2011 и 2016 годах.

Процессоры AMD FX на базе микроархитектуры Bulldozer стали первыми процессорами AMD, выполненными по 32 нм техпроцессу [21]. Отличительной особенностью этих процессоров является высокая тактовая частота и возможность ее «разгона». В свое время, он был даже занесен в «Книгу рекордов Гиннесса», как самый высокочастотный компьютерный процессор. В данных процессорах поддерживается технология динамической оптимизации производительности на уровне процессорных ядер Turbo Core, которая означает увеличение тактовой частоты на несколько ступеней одновременно всех ядер процессора. Они оснащены кэш-памятью L3 размером 8 Мб, помимо этого на каждом ядре располагается кэш L2 размером 1 Мб.

Принцип построения многоядерных процессоров на базе AMD Bulldozer отличается от многоядерной архитектуры Intel, так как он предусматривает модульную архитектуру. Каждый модуль является двухъядерным, например, восьмиядерный процессор FX содержит четыре двухъядерных модуля. При этом модуль нельзя считать, как два отдельных функционирующих ядра, скорее, как вычислительные целочисленные кластеры. Такое архитектурное решение дает возможность одновременно обрабатывать два потока данных, но по эффективности уступает двум отдельным ядрам.

В архитектуре Zen основное внимание направлено на увеличение количества операций за такт – одновременная многопоточность. Переход от модульной архитектуры к полноценным ядрам.

Отличительные характеристики архитектуры [22]:

• Два потока на ядро (одновременная многопоточность);
• Инновационный кэш микроопераций;
• Объединенная кэш-память объемом до 20 Мб;
• Два блока со стандартом шифрования AES для обеспечения безопасности;
• Высокоточное увеличение частоты;
• Высокоэффективные транзисторы FinFET.

Для сравнительного анализа двух поколений, представим в таблице 3 процессоры FX-6200 (Bulldozer) и Ryzen 5 1600X (Zen):

Таблица 3 «Сравнение характеристик процессоров FX-6200 и Ryzen 5 1600X»

Название параметра	FX-6200	Ryzen 5 1600X	Изменение параметров
Разрядность	64	64	-
Рабочая тактовая частота	3,8 ГГц	3,6 ГГц	-200 МГц
Размер кэш-памяти L2, L3	6+8 Мб	3+16 Мб	L2 -3 Мб L3 +8 Мб
Тип конструктивного исполнения(Socket)	AM3+	AM4	Новый сокет
Технологический процесс	32 нм	14 нм	Более современный техпроцесс
Количество ядер	6	6	-
Потребляемая мощность	125 Вт	95 Вт	-30 Вт

На основании таблицы 3 можно сделать вывод, что за 5 лет компания AMD значительно изменила подход к разработке. Архитектура Zen была сделана практически с нуля, с учетом всех недоработок предыдущего поколения. Использование новейших разработок: изменение техпроцесса, новый способ организации памяти, увеличение количества операций на такт – все это помогло увеличить производительность.

2.3.3. Отечественный микропроцессор «Эльбрус»

Представителем отечественного производителя, является процессор «Эльбрус». На данный момент компания МЦСТ значительно отстает от ведущих производителей (Intel и AMD), но показывает большие темпы развития. В таблице 4 приведем сравнительную характеристику линейки отечественных процессоров:

Таблица 4 «Характеристики линейки процессоров Эльбрус»

	Эльбрус-2С+	Эльбрус-4С	Эльбрус-8С	Эльбрус-16С
Год выпуска	2011	2014	2015-2018	2018(планируется)
Тактовая частота	500 МГц	800 МГц	1300 МГц	1500 МГц
Разрядность	-	32/64 бит	64 бит	64/128 бит
Количество ядер	2	4	8	8/16
Кэш первого уровня	64 Кб	128 Кб	-	-
Кэш второго уровня	1 Мб	8 Мб	4 Мб	4Мб
Кэш третьего уровня	-	-	16 Мб	16 Мб
Поддержка ОЗУ	DDR2-800	3 × DDR3-1600	4 × DDR3-1600	4 × DDR4-2400
Техпроцесс	90 нм	65 нм	28 нм	28 нм (или 16)
Потребление энергии	25 Вт	45 Вт	75-100 Вт	60-90 Вт

В Эльбрус-8С по сравнению с Эльбрус-4С становится значительно производительнее. Практически вдвое увеличивается тактовая частота, а также происходит усовершенствование архитектуры [23].

В планах у производителя на 2018 год вновь перейти на более современный технологический процесс от 28 нм к 16 нм, также рассматривается возможность выпуска 16-ядерного процессора. Разрядность будет увеличена с 64 до 128 бит. В одном ядре содержится 6 арифметическо-логических каналов, содержит своё отдельное АЛУ и FPU, таким образом ядро сможет выполнять 24 операции с плавающей запятой за такт [24].

Также до 2020 года запланирована разработка 32-ядерного процессора с тактовой частотой до 2 ГГц, техпроцесс 14 нм и производительностью около 2-4 Тфлопс.

На данный момент рядовой пользователь не имеет возможности воспользоваться «отечественной разработкой» по ряду причин:

• Отсутствие аппаратной периферии (материнская плата, чипсет и т.д.);
• Отсутствие функционирующего программного обеспечения (разработки ведутся на базе ОС Linux);
• Отсутствует совместимость с другими производителями;
• Высокая стоимость.

Поэтому данный процессор пока что могут использовать только научно-исследовательские центры и военные структуры. Но исходя из скорости развития, можно предположить, что в недалеком будущем, для настольного ПК мы сможем использовать процессор «Эльбрус».

Прогресс в области микроэлектроники шагает достаточно стремительно, по сравнению с другими сферами деятельности. Даже самый современный процессор достаточно быстро устаревает. «Гиганты-производители» Intel и AMD довольно успешно шагают в ногу со временем, развиваются и модернизируются, благодаря рыночной конкуренции.

Уже десятки лет основным материалом для производства кристаллов процессора является кремний, но и его возможности не безграничны. Возможно в будущем производство достигнет технологических лимитов этого материала. В последних разработках (технология менее 5 нм), к кремнию добавят дисуфид гафния или диселенид циркония, что станет основой новых сверхтонких полупроводников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создание устройств на микропроцессорах довольно сложный и трудоемкий процесс. Однако, трудность освоения открывает большие возможности по реализации идей и поиску проектных решений. Это позволяет решать сложные задачи в соответствии с умелым сочетанием аппаратных средств и стандартных программных процедур.

В данной курсовой работе была подробно рассмотрена структура, классификация и основные характеристики микропроцессора в общем и их применение в современном ПК.

Было установлено, что микропроцессор - это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией. Фактически – это «мозг» любой компьютерной системы. Он управляет потоками данных, организуя как сами вычисления (выполняет арифметические и логические операции), так и их требуемую последовательность. Основные характеристики микропроцессора заключены в значениях тактовой частоты и разрядности.

Был пройден путь от создания микропроцессора в 1971 году до наших дней, а также немного заглянули в возможное ближайшее будущее. Сравнили последние поколения современных процессоров главных производителей, используемых в ПК. Установлено, что с развитием микроэлектроники к микропроцессору предъявляется всё больше требований: универсальность, многозадачность, совершенствование и удешевление производства и другие. Ввиду этого производителям приходится находить принципиально новые проектные и технологические решения.

Современный микропроцессор в настольном ПК может предложить широкий спектр возможностей для рядового пользователя. Это высокая скорость обработки текстов, изображений, видео и т.д.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Апгрейд компьютера. Популярный самоучитель/ А. Ватаманюк. – СПб.: Питер, 2005
2. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов. 4-е издание/ В. Л. Бройдо, О. П. Ильина. – СПб.: Питер, 2011
3. Железо ПК 2012/ В. Г. Соломенчук, П. В. Соломенчук. –СПб.: БХВ-Петербург, 2012
4. Микропроцессорные комплекты интегральных схем: Состав и структура: Справочник/ В. С. Борисов, А. А. Васенков, Б. М. Малашевич и др.; Под ред. А. А. Васенкова, В. А. Шахиова. – М.: Радио и связь, 1982
5. Микропроцессоры и микроЭВМ: Учебное пособие/ Д. Ю. Муромцев, Е. Н. Яшин. – Тамбов: Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2013
6. Микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности / А. С. Басманов, Ю. Ф. Широков; Под ред. В. Г. Домрачева – М.: Энергоатомиздат, 1988
7. Микропроцессоры, микроЭВМ и их применение для автоматизации машин, оборудования и проборов: Учеб. пособие для автотранспортных техникумов/Г. А. Костикова, Е. Р. Кочанова, С. В. Праг и др.; Под ред. Г. А. Костиковой. – М.: Высш. шк., 1988
8. МикроЭВМ, микропроцессоры и основы программирования: Учеб.пособие/ А. Н. Морозевич, А. Н. Дмитриев, В. Н. Мухаметов и др; Под общ. ред. А. Н. Морозевича. – МН.: Выш. шк.; 1990
9. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. 3-е издание. Стандарт третьего поколения/ С. А. Орлов, Б. Я. Цилькер. – СПб.: Питер, 2014
10. Основы компьютерной электроники: Учебное пособие/ Д. В. Фомин. – М. – Берлин: Директ-Медиа, 2014
11. Самое главное о … Выбор компьютера/ М. Кутузов, А. Преображенский. – СПб.: Питер, 2005
12. Assembler. Учебник для вузов. 2-е издание/ В. И. Юров – СПб.: Питер, 2010
13. Электронный ресурс – ru.wikipedia.org
14. Электронный ресурс - https://geektimes.ru/company/ua-hosting/blog/266820/
15. Электронный ресурс http://asmworld.ru/uchebnik/ - Учебный курс программирования на ассемблере.
16. Электронный ресурс - https://ru.wikipedia.org/wiki/Кэш/
17. Электронный ресурс - https://ark.intel.com/ru/products/88196/Intel-Core-i7-6700-Processor
18. Электронный ресурс - https://geektimes.ru/company/intel/blog/275964/
19. Электронный ресурс - https://intel.com/
20. Электронный ресурс - https://www.igromania.ru/article/28703/Sem_faktov_o_Kaby_Lake_Testiruem_novoe_pokolenie_processorov_Intel.html
21. Электронный ресурс - http://compress.ru/article.aspx?id=22572
22. Электронный ресурс - https://www.amd.com/ru/technologies/zen-core
23. Электронный ресурс - http://digital-boom.ru/hardware/rossijskie-protsessory.html
24. Электронный ресурс - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D1%8C%D0%B1%D1%80%D1%83%D1%81-16%D0%A1