Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Теоретические аспекты ЭВМ)

Содержание:

Введение

Сегодня мир без персонального компьютера – это совсем немыслимое явление.

Но ведь мало кто задумывался об устройстве этих элементов вычислительной техники. И уж точно не знает никто, насколько умными стали эти аппараты за последние 40 лет. Для многих пользователей искусственный интеллект и персональный компьютер, который стоит на столе, – это одно и тоже самое.

Сегодня любой прорыв в компьютерных информационных технологиях встречается очень громко, как нечто, что особо выдается. Люди хотят создавать себе младшего брата, что, если еще не и думает, то хотя бы мог соображать быстрее их.

Процессор является главным «мозговым» узлом, который выполняет программный код, который находится в памяти компьютера. В настоящее время при упоминании слова «процессор» подразумевают микропроцессор – специальная микросхема, которая, кроме своего процессора может содержать также другие узлы – к примеру, кэш-память.

Процессоры в определённой последовательности выбирают из памяти некоторые инструкции и исполняют их. Инструкции процессора также предназначены для пересылки, обработки и анализа данных, расположенных в памяти и портах ввода/вывода данных, а также организации структур ветвления и переходов в вычислительные процессоры.

Актуальность выбранной темы повязана с тем, что современные компьютеры не могут никак обойтись без своего «сердца» - процессора, и чем он более мощный, тем ПК является производительней. То есть, для выбора ПК необходимо разбираться в характеристиках и устройстве процессора ПК.

Объектом курсовой работы является аппаратная часть ПК.

Предмет курсовой работы – устройство процессора ПК.

Целью курсовой работы является описание главных функций процессора, а также его устройство.

В соответствии с целью поставлены такие задачи:

– провести анализ литературы по компьютерной тематике;

– рассмотреть принципы фон Неймана;

– описать архитектуру ПК;

– рассмотреть основные функции и характеристики процессора;

– освоить принципы работы процессора.

Проблему аппаратной части компьютеров исследовали В.С. Королюк, Н.Виннер, Р.В. Малькович. Отметим, что в нынешнее время процессоры постоянно усовершенствуются и разработчики постоянно ищут новые подходы к повышению их функционирования.

1. Теоретические аспекты ЭВМ

   1. Принципы Джона фон Неймана

Большинство современных процессоров персональных компьютеров в общем основываются на той или другой версии циклического процесса обработки последовательной информации. Первой работающей универсальной автоматически управляемой вычислительной машиной считается расчетно-механическая машина «Марк-1» созданная в 1944 г. Но «Марк-1» не отличался высокой производительностью, что дало толчок к дальнейшим исследованиям в области ЭВМ,

Проект первой ЭВМ, которая называлась ЭНИАК (Electronics Numerical Integrator and Computer), был разработан Дж. Моучли в США в 1942 году, и осуществлен в 1945 году в Пенсильванском университете Д. Эккертом. А позднее в 1946 году ЭНИАК был впервые публично продемонстрирован. Данная машина использовалась для управления береговой ПВО и имела в основе электронный численный интегратор автоматический вычислитель (рисунок 1). В этой машине было 18000 электрических ламп и 1500 электромеханических реле. Применение ламп повысило скорость выполнения операций в 1000 раз по сравнению с устройством «Марк-1».

Создание ЭВМ ЭНИАК считают началом компьютерной эра, посвящая ему научные симпозиумы и другие торжественные мероприятия.

Несмотря на более высокую производительность ЭВМ ЭНИАК, проектируемая машина также имела большой недостаток: в ней не было устройства для запоминания команд.

Основные архитектурно-функциональные принципы построения ЭВМ были разработаны и опубликованы в 1946 г. Венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом в ставшем классическим отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства», который содержал основополагающие принципы ЭВМ [19]:

• Принцип программного управления выполнением программы
• Принцип хранимой в памяти программы.

Именно эти принципы легли в основу понятия фон-Неймановской архитектуры (рисунок 2).

Рисунок 1 ЭВМ «ЭНИАК»

В состав классической ЭВМ должны были входить такие составные устройства:[9]

– арифметико-логическое устройство;

– оперативная память;

– внешние устройства, которых делят на классы: [5]

1. внешняя память;
2. устройства ввода или вывода информации;

– управляющее устройство.

Рисунок 2 Состав ЭВМ по архитектуре фон Неймана

Рассмотрим основные из традиционных принципов, сформулированные фон Нейманом:[11]

• наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации и память;
• линейная структура адресации памяти, состоящей из слоев фиксированной длины;
• двоичная система исчисления;
• централизованное последовательное управление;
• хранимая программа;
• низкий уровень машинного языка;
• наличие команд условной и безусловной передачи управления;
• АЛУ с представлением чисел в форме с плавающей точкой.

Рассмотрим алгоритм функционирования управляющего устройства, которое было прообразом процессора.

В различных архитектурах и при выполнении различных команд могут требоваться дополнительные этапы. К примеру, для арифметических команд скорее всего могут потребоваться дополнительные запросы к памяти ПК, во время которых и производится считывание операндов, а также запись результатов.

Одной с отличительных особенностей архитектуры Дж. фон Неймана является хранение инструкций, а именно: инструкции и данные могут хранится в одной памяти.

Рассмотрим этапы цикла выполнения:[7]

1. Процессор выставляет некоторое число, хранящееся в регистре, на шину адреса, и далее отдаёт памяти команду для чтения;
2. Выставленное число при этом является для памяти ее адресом; память, получив конкретный адрес и команду для чтения, выставляет содержимое, что хранится по адресу, на шину данных, и потом сообщает о готовности к следующему шагу;
3. Процессор получает число, направленное с шины данных, преобразовывает его как команду (бинарную инструкцию) из системы команд и выполняет её;
4. Если же последняя команда не различается как команда перехода, процессор на единицу увеличивает (при предположении, что длина для каждой команды будет равна единице) число, которое хранится в счётчике команд; при этом там в результате образуется адрес для выполнения следующей команды;
5. Снова выполняется пункт 1.

Рассмотренный цикл выполняется неизменно, именно он и называется процессом.

• 1. Архитектура современного ПК

Рассмотрим архитектуру ПК, а именно предназначение всех узлов современного компьютера.

Центральный процессор – микропроцессор со всеми нужными вспомогательными микросхемами, включая также внешнюю кэш-память, контроллер системной шины.

В большинстве всех случаев именно это устройство осуществляет обмен с помощью системной шины.

Оперативная память может занять почти все адресуемое динамическое пространство памяти процессора.

Но чаще всего ее объем меньше. В современных ПК стандартный объем системной памяти может составлять, как правило, от 16 Гбайт. Оперативная память ПК выполняется на микросхемах памяти и поэтому со временем требует регенерации.

Постоянная память имеет небольшой объем, содержит программу для начального запуска, описания конфигурации системы, и также драйверы (подпрограммы нижнего уровня) для выполнения взаимодействия с разными системными устройствами.

Контроллер для прерываний преобразует все аппаратные прерывания системной платы в аппаратные прерывания процессоров и задает адреса для векторов прерывания.

Все эти режимы работы контроллера прерываний задаются процессором программно перед началом работы.

Контроллер прямого доступа принимает запрос на ПДП из главной системной магистрали, передает сигнал процессору, а далее предоставления процессором магистралей производит пересылку данных для памяти и устройства ввода/вывода.

Все режимы работы контроллера ПДП задаются программно перед началом работы процессором.

Использование встроенных контроллеров прерываний ПК и ПДП позволяет упростить существенно аппаратуру применяемых плат для расширения.[8]

Перестановщик байтов данных поможет производить обмен данными с 16-разрядными и 8-разрядными устройствами, пересылать даже целые слова или же отдельные байты.

Часы реального времени, таймер-счетчик – устройства для внутреннего контроля даты и времени, а также для выдержки временных интервалов, задания частоты и прочее.[5]

Системные устройства для ввода/вывода – устройства, которые нужны для работы компьютера, взаимодействия со стандартными устройствами по последовательному или параллельному интерфейсам. Они могут выполняться на материнской плате, на платах расширения.[3]

Платы расширения устанавливаются на специальные слоты (разъемы) в системной магистрали и также могут содержать устройства ввода/вывода и оперативную память.

Они могут обмениваться информацией с другими устройствами с помощью шины в режиме прерываний, программного обмена, а также в режиме ПДП.

Стоит отметить, что также предусмотрена возможность захвата шины – полного отключения от нее всех системных устройств.

Важная особенность такой архитектуры – ее полная открытость, то есть возможность подсоединения в компьютер разных дополнительных устройств: системных устройств и разнообразных плат расширения.

Открытость предполагает возможность простого встраивания любых программ пользователя на различных уровнях программного обеспечения ПК.

Первый персональный компьютер семейства, которое получило широкое распространение, IBM XT, был выполнен на основе оригинальной системной магистрали PА XT-Bus.

Далее, начиная с IBM PА AT, она была доделана до магистрали, которая стала стандартной и получившей имя ISA – Industry Standard Architecture. До недавнего времени магистраль ISA оставалась основой любого персонального компьютера.[4]

Однако, начиная с разработки процессоров i476 (в 1988 году), она не удовлетворяла требованиям производительности, ее стали дублировать быстрыми шинами: PCI (Peripheral Component Interconnect) и VLB (VESA Local Bus) или же заменять совместимой с магистралью ISA магистралью EISA.

Постепенно шина PCI вытесняла конкурентов и стала практически стандартом.

Начиная с 2000 года в самых новых компьютерах рекомендуется отказываться полностью от магистрали ISA, при этом оставляя только PCI. Отметим, что также приходится отказываться и от применения плат для расширения, разработанных за многие годы для подключения к магистралям ISA.

Другое направление по совершенствованию архитектуры персонального компьютера повязано с максимальным ускорением обмена информации с системной памятью ПК.

Именно из этой системной памяти компьютер считывает все исполняемые команды, а в системной памяти он хранит все данные. То есть процессор совершает больше всего обращений именно к памяти.[3]

Ускорение обмена для памяти приводит к ускорению работы всей вычислительной системы в целом.

При использовании памяти для обмена с системной магистралью приходится учитывать также скоростные ограничения для системной магистрали.

Системная магистраль обеспечивает сопряжение с разным числом устройств, поэтому должна она иметь довольно огромную протяженность; она требует использование выходных и входных буферов для согласования их с линиями магистрали.

Разные циклы обмена для системной магистрали сложны, ускорять их нельзя.

По результату существенного ускорения обмена процессоров с памятью по магистралях добиться невозможно.

Разработчиками тут же был предложен такой подход.

Системная память подключена не к системной магистрали, а к высокоскоростной шине, находящейся намного «ближе» к процессору, и не требующей сложных использований буферов и огромных расстояний для передачи данных.

В таком классическом случае обмен с памятью выполняется с максимально возможной скоростью для данного процессора, и системная магистраль вовсе не замедляет его.

Отметим, актуальным это становится с огромным ростом быстродействия центрального процессора[11]. Таким образом, структура ПК из одношинной, которая применяется только в первых ПК, становится трехшинной.

Рисунок 3 Организация связей при применении трехшинной структуры

Рассмотрим назначение шин:

– к локальной шине могут подключить центральный процессор, кэш-память;

–к шине памяти можно подключить оперативную и постоянную память компьютера;

– к системной шине подключаются все остальные устройства.

Все три шины располагают адресными линиями, линии данных, управляющие сигналы.

Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, при этом они и выполняют похожие функции.

С точки зрения самого процессора, системная шина в ПК всего одна, по ней он получит данные и команды, а магистраль передает данные в память и в устройства для ввода/вывода.

Рисунок 4 Схема работы ПК

В первом разделе рассмотрены основные понятия об аппаратной части ПК, описаны 4 принципы фон Неймана, охарактеризовано основные узлу архитектуры ПК.

1. Устройство процессора
   1. Структура процессора

Центральный процессор (центральное вычислительное устройство) — это исполнитель машинных инструкций, составная часть аппаратного обеспечения персонального компьютера или логического контроллера, который используется при программировании, отвечающая за выполнение различных арифметических операций, которые заданы программами операционной системы, а также координирующий работу абсолютно всех устройств компьютера.[10]

Центральный процессор — мозг компьютера. Его основная задача — выполнять программы, которые находятся в основной памяти.

Процессор вызывает команды из памяти ПК, определяет их тип, выполняет их одну за одной.

Компоненты соединены шиной, которая представляет собой набор связанных проводов, по ним и передаются адреса, сигналы и данные управления.

Шины бывают внешними (которые связывают процессор и память, и устройствами ввода-вывода), а также внутренними.

Современный процессор –высокотехнологическое и сложное устройство, которое включает в себя самые последние достижения области вычислительной техники, сопутствующих областей науки.[6]

Большинство процессоров состоит из:

• нескольких или одного ядер, осуществляющих выполнение инструкций;
• контроллера ОЗУ;
• нескольких уровней КЭШ-памяти (2 или три уровня), которые ускоряют взаимодействие процессора и ОЗУ;
• контроллера для системной шины (QPI, DMI, HT и т.п.);

Характеризуется процессор следующими параметрами:

• тактовой частотой;
• типом микроархитектуры;
• набором выполняемых команд;
• размерами обрабатываемых слов;
• количеством уровней для кэш-памяти, их объемом;
• скоростью и типом системной шины;
• отсутствием или наличием встроенного контроллера памяти;
• объемом адресуемой памяти;
• типом поддерживаемой оперативной памяти;
• отсутствием или наличием встроенного графического ядра;
• уровнем энергопотреблением.

Упрощенная структурная схема современного многоядерного процессора представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 Упрощенная схема процессора

• 1. Составные части процессора

Ядро процессора – его основная часть, которая содержит все функциональные блоки, осуществляющая выполнение логических и арифметических команд.

На рисунке 5 приведена структурная схема ядра процессора. Как видно, каждое ядро центрального процессора состоит из таких функциональных блоков:

• блок выборки инструкций;
• блоки выборки данных;
• блоки декодирования инструкций;
• управляющий блок;
• блоки сохранения результатов;
• блоки выполнения инструкций;
• блок работы с прерываниями;
• набор регистров;
• ПЗУ, содержащий микрокод;
• счетчик команд.

Блок выборки осуществляет извлечение инструкции из памяти программы. Расположение инструкции в памяти программ определяется счетчиком команд, который хранит число и идентифицирует адрес следующей команды, которая должна быть выбрана. После того, как инструкция выбрана, счетчик команд увеличивается на длину инструкции, чтобы она содержала адрес следующей инструкции в последовательности.

За такт может считываться несколько инструкций. Количество читаемых инструкций обусловлено общим количеством блоков декодирования, поскольку необходимо в каждом такте максимально загрузить блок декодирования.

Для оптимальной работы блока декодирования выборки, в ядре процессора есть предсказатель переходов, который пытается определить, какая именно последовательность команд будет выполнена после совершения перехода.

Это также необходимо, чтобы после перехода максимально нагрузить ядро процессора.

Блоки декодирования – это блоки, что занимаются декодированием инструкций, то есть, определяют, что именно надо сделать процессору, какие дополнительные данные необходимы для выполнения инструкции. Часто одна группа битов внутри инструкции, называемая кодом операции, указывает, какая операция должна быть выполнена, а остальные поля обычно предоставляют дополнительную информацию, требуемую для операции, такую как операнды. Эти операнды могут быть определены как постоянное значение (называемое непосредственным значением) или как местоположение значения, которое может быть регистром процессора или адресов памяти.

В некоторых конструкциях процессоров блок декодирования реализован в виде зашитой неизменяемой схемы. В других случаях используется микропрограмма для преобразования инструкций в наборы сигналов конфигурации, которые применяются последовательно в течение нескольких тактов. В некоторых случаях память, в которой хранится программа, перезаписывается и это позволяет изменить способ, которым процессор декодирует инструкции.

Задачи этих блоков для большинства коммерческих процессоров, построенных на основе концепции CISC, – очень сложные. Дело в том, длина инструкций, количество операндов – нефиксированные, это сильно усложняет работу разработчикам процессоров, делает процесс декодирования задачей нетривиальной.

Часто отдельные команды приходится заменять специальным микрокодом – серией простых команд, в совокупности выполняющих такое же действие, что и 1 сложная инструкция.

Каждый набор микрокода записан в ПЗУ, встроенном в центральном процессоре. [7]

К тому же сам микрокод упрощает разработку процессоров, так как отпадает необходимость в создании сложноустроенных структур ядра для выполнения его отдельных команд, ну и исправить микрокод намного проще, чем устранять ошибку в функционировании всего блока.

В современных компьютерных процессорах, обычно, рассматривают 2-4 блока по декодирования инструкций. В процессорах типа Intel Core 2 все ядра содержит по 2 таких блока.

Блоки для выборки данных осуществляют выбор данных из кэш-памяти и ОЗУ, необходимых для реализации текущих инструкций.

Обычно, все процессорные ядра содержат несколько блоков для выборки данных. Например, для процессоров Intel Core используется 2 блока выборки данных на каждое ядро.

Управляющий блок на базе декодированных инструкций управляет функционированием блоков выполнения инструкций, также распределяет нагрузку для них, обеспечивает своевременное, верное выполнение всех инструкций. Это один из самых важных блоков ядра.

Блоки выполнения инструкций могут включать в себя несколько разных блоков [2]:

• FPU – устройство по выполнению операций;
• ALU – арифметическое логическое устройство.

Блоки для обработки расширений наборов инструкций.

Дополнительные команды используются для ускорения работы с потоками данных, дешифрования и шифрования, кодирования видео и т.д. Для этого в каждое ядро процессора вводят регистры и специальные наборы логики. Наиболее популярными расширениями для наборов инструкция являются:[3]

MMX – набор инструкций, который разработан компанией Intel, для кодирования и декодирования аудио и видеоданных в потоке;

SSE – набор инструкций, который разработан компанией Intel, для реализации одной и той же последовательности команд над множеством данных при распараллеливании вычислительного процесса. Все наборы команд постоянно усовершенствуются, и на теперешний момент имеются ревизии: SSE2, SSE3, SSE, SSSE3, SSE4;[8]

ATA – набор инструкций, который разработан компанией Intel, для ускорения функционирования специализированного программного обеспечения, снижения энергопотребления в работе с программами. Эти инструкции используются, например, при вычислении контрольных сумм, поиска данных;

3DNow – это набор инструкций, который разработан компанией AMD, при расширении возможностей набора для инструкций MMX;

AES – набор инструкций, разработанный фирмой Intel, для ускорения выполнения приложений, использующих специальное шифрование данных.

Блок сохранения результатов дает возможность записать результат выполнения инструкции в ОЗУ с помощью адреса, указанного в обрабатываемой инструкции.[4]

Блок работы с прерываниями – выполняет одну из самых важнейших задач процессора, которая позволяет ему своевременно реагировать на разные события, прерывать ход выполнения программы и выполнять все требуемые от него команды.

Благодаря наличию прерываний, каждый процессор способен к выполнению псевдопараллельной работы, то есть, к многозадачности.

Обработка прерываний выполняется следующим образом. Процессоры перед началом каждого из циклов работы проверяет наличие специального запроса на прерывание.

Если же есть прерывание для выполнения обработки, процессор сохраняет адрес инструкции в стек, которую он должен выполнить, и данные, что получены после выполнения самой последней инструкции, далее он переходит к выполнению функций обработки прерывания.[5]

После окончания выполнения всех функции обработки прерывания, из созданного стека считываются в него сохраненные данные, а сам процессор возобновляет выполнение поставленной задачи.

Регистры – это сверхбыстрая оперативная память небольшого объема (несколько байт), входящая в состав центрального процессора, для хранения промежуточных результатов по выполненных инструкциях. Регистры процессора можно разделить на 2 типа:

– регистры общего назначения;

– специальные регистры.

Регистры для общего назначения применяются при выполнении арифметических, логических операций, специфических операций для дополнительных наборов инструкций.

Регистры специального назначения могут содержать системные данные, которые необходимы для работы процессора. К ним относятся, например, регистры для управления, регистры для системных адресов, регистры для отладки и т.п.

Счетчик команд – это регистр, содержащий адрес команд, которые процессор начнет выполнять после следующего такта работы.

• 1. Функции и характеристики процессора

Видов процессоров существует много, выпускаются они для различных целей и разными производителями. На сегодняшний день, ведущими производителями процессоров для компьютеров являются компании Intel и AMD. Независимо от производителя у каждого процессора есть целый ряд важных характеристик:

• Тактовая частота
• Разрядность обрабатываемых данных
• Размер кэш-памяти
• Количество ядер.

Тактовая частота – определяет сколько элементарных операций (тактов) выполняет микропроцессор в одну секунду. Измеряется в гигагерцах (ГГц – GHz). От тактовой частоты в значительной степени зависит быстродействие компьютера.

Но надо заметить, что утверждение «чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор» справедливо только если сравнивать между собой поколения процессоров одной марки. По данному показателю нельзя сопоставить процессоры разных производителей, т.к. при одинаковой тактовой частоте они работают с различной скоростью, поскольку на нее влияют в не меньшей степени и другие характеристики. Например, процессоры марки AMD работают на более низких тактовых частотах, чем Intel, но за один такт производят больше действий.

Разрядность процессора показывает сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Данная характеристика процессора влияет на его быстродействие. Подавляющее большинство современных процессоров являются 64-разрядными, но они полностью поддерживают архитектуру x86. Для пользователя важно знать разрядность процессора его компьютера, так как, например, программное обеспечение, рассчитанное на 64-х разрядный процессор, не может быть установлено на компьютер с 32-х разрядным процессором.

Основные функции процессора, следующие:

• выборка и чтение выполняемых команд;
• вывод данных в память или в УВВ;
• чтение данных с памяти или с УВВ;
• обработка данных, а также арифметические операции с ними;
• адресация памяти, то есть, задание адресов памяти, с которыми будет выполняться обмен;
• обработка прерываний, режима непосредственного доступа к памяти.

Количество линий управления определит разнообразие режимов обмена, эффективность обмена процессора и других устройств системы.

Магистраль или системная шина (рисунок 6) обязательно включает в себя 3 многоразрядные шины:

• шину управления;
• шину данных;
• шину адресов.

Рисунок 6 Магистрально-модульное устройство компьютера

К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией в двоичном виде.

Шина данных предназначена для передачи информации между различными устройствами. Данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении. Разрядность шины определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно.

Говоря о шине адреса, важно упомянуть что выбор устройства и ячейки памяти, куда именно пересылаются или откуда могут считываться данные по шине, производит процессор. Каждое такое устройство или ячейка памяти имеет свой конкретный адрес. Этот адрес передается по адресной шине, а сигналы по ней передаются только в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и к устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти, то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти рассчитывается по формуле:

В современных ПК разрядность шины адреса составляет 32 или 64 бита. Таким образом максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти может быть равно:

Шина управления передает сигналы, которые определяют характер обмена информацией магистрали. Данные сигналы управления говорят о том, какую операцию – считывание или запись информации из памяти необходимо произвести, а также синхронизируют обмен информацией между устройствами.

Во второй главе рассматривались основные понятия об устройстве процессора, описаны его составные части, функции, основные характеристики.

1. Поколения процессора
   1. История процессоров Intel

Свой первый микропроцессор компания Intel продала в 1971 году, это был чип с кодовым названием 4004 (рисунок 7). Он предназначался для совместной работы с тремя другими микрочипами, ПЗУ 4001, ОЗУ 4002 и сдвиговым регистром 4003. 4004 предназначался для вычисления, а остальные компоненты играли важнейшую роль для работы процессора. Эти чипы в основном использовались в калькуляторах и прочих подобных устройствах и не предназначались для компьютеров. Его максимальная тактовая чистота составляла 740 кГц.

Рисунок 7 Процессор Intel 4004

После успеха с 4004 микропроцессором Intel выпустили серию 8-битных процессоров 8008, которые появились в 1972 году, а далее в 1974 – чипы 8080 – улучшенную версию 8008. Чипы 8080 имели большой успех и использовались в бесчисленном множестве устройств, в связи с чем несколько разработчиков программного обеспечения, например недавно сформированная Microsoft, сосредоточились на программном обеспечении для процессоров Intel.

Первым 16-битным процессором Intel был 8086, который имел существенно большую производительность и обладал 16-разрядной шиной данных и аппаратными исполнительными блоками, которые позволяли выполнять две восьмибитные инструкции одновременно. Разрядность адресной шины также была расширена до 20-бит, что дало процессору доступ к 1 Мбайт памяти и увеличило производительность. 8086 процессор стал первым на архитектуре x86, на которой сейчас базируются почти все процессоры AMD и Intel.

Далее в истории процессоров Intel были попытки перейти с архитектуры x86 на другие, например процессор iAPX 432, который имел громоздкую конфигурацию процессора и был выпущен в формате двух отдельных кристаллов. Он был рассчитан на высокие нагрузки и не мог работать хорошо в условиях недостатка пропускной способности шин или поступления данных и его быстро затмили более новые процессоры на архитектуре x86.

Логическим развитием стало появление 32-битного процессора 80386 в 1985 году. Его ключевым преимуществом являлась 32-битная адресная шина, которая позволяла адресовать до 4 Гбайт системной памяти и хотя в те времена столько памяти практически никто не использовал, ограничения ОЗУ мешали производительности предшествующих процессоров и конкурирующих ЦП.

В 1993 году появляется первый процессор Pentium, он использовал архитектуру P5 – первую суперскалярную микроархитектуру x86 Intel. Далее этот процессор улучшался и обрастал расширениями. А в 2005 году компания Intel представила свой первый двухъядерный процессор Pentium D (рисунок 8), который получился не самым удачным, так как процессор обладал высоким тепловыделением и ограничением тактовой частоты в 2,8 ГГц. Также большую роль сыграло использование медленной DDR2-памяти и неоптимизированность большинства приложений под работу с двумя ядрами. Но несмотря на это первый двухъядерный процессор стал отправной точкой к созданию многоядерных процессоров, которые содержат два или более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе. Многоядерные процессоры будут более подробно описаны ниже.

Рисунок 8 Pentium D

Вместе с самими процессорами улучшались и совершенствовались и их корпуса, о которых речь пойдет в следующем разделе.

• 1. Корпуса процессоров

После изготовления кристалла с ядрами и дополнительными схемами, для применения в конечном изделии ядерный процессор упаковывается в защитный корпус. В зависимости от сложности процессора, его рассеиваемой мощности и назначения применяются различные типы корпусов:

• DIP – Dual In-line Package (рисунок 9), корпус с двухрядным расположением контактов для впайки. В зависимости от материала корпуса выделяют два варианта исполнения PDIP и CDIP, пластиковый и керамический корпусы соответственно.

Рисунок 9 Dual In-line Package

• PGA – Pin Grid Array (рисунок 10), керамический корпус с матрицей выводов. В зависимости от материала корпуса различают PPGA (пластиковый корпус), CPGA (керамический корпус) и OPGA (корпус из органического материала). Также существует модификация корпуса данного вида:
  • FCPGA – Flip-chip PGA – в данном корпусе открытый кристалл процессора расположен на верхней части корпуса;
  • FCPGA2 – Flip-chip PGA 2, отличается от FCPGA наличием теплораспределителя, закрывающего кристалл процессора;
  • μFCPGA – Micro Flip-chip PGA, компактный вариант корпуса FCPGA;
  • μFCPGA – Micro PGA, компактный вариант корпуса FCPGA2.

Рисунок 10 Pin Grid Array

• QFP – Quad Flat Pack (рисунок 11), плоский корпус с четырьмя рядами контактов для поверхностного монтажа. Корпус может различаться по материалу – быть пластиковым или керамическим, а также по высоте корпуса – иметь малую высоту корпуса (TQFP, LQFP)

Рисунок 11 Quad Flat Pack

• BGA – Ball Grid Array (рисунок 12), корпус PGA, в котором штырьковые контакты заменены на шарики припоя. Чаще всего используется в мобильных процессорах, чипсетах и современных графических процессорах. Существуют следующие варианты корпуса BGA:
  • FCPGA – Flip-chip BGA, открытый кристалл процессора расположен на верхней части корпуса, изготовленного из органического материала. Также существует версия корпуса с улучшенным теплообменом процессора с окружающей средой – HFCPGA.
  • μBGA и μFCBGA – компактные варианты корпусов BGA и FCPGA.

Рисунок 12 Ball Grid Array

Также различают понятие картриджей, которые представляют собой печатную плату с расположенными на ней процессором и вспомогательными элементами, устанавливаемую в слот.

Существует несколько видов процессорных картриджей:

• SECC – Single edge contact cartridge, полностью закрытый картридж с теплоотводной пластиной, обеспечивающей тепловой контакт между корпусом картриджа и процессором.
• SECC2 – картридж без теплоотводной пластины.
• SEPP – Single edge processor package, полностью открытая печатная плата.
• MMC – Mobile module connector, картридж с открытым кристаллом процессора, предназначенный для мобильных компьютеров.

В зависимости от корпуса процессора существуют и различные разъемы центрального процессора. Разъем ЦПУ (сокет) – гнездовой или щелевой разъем в материнской плате, предназначенный для установки в него центрального процессора. Разъем может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты. На физическом уровне разъемы отличаются количеством и типом контактов, расстоянием креплений для процессорных кулеров, что делает практически все разъемы несовместимыми. На рисунке 13 можно увидеть, как разительно отличаются разъемы разных поколений процессоров в зависимости от производителя.

Рисунок 13 Разъемы процессоров

Старые разъемы для процессоров x86 нумеровались в порядке выпуска, одной цифрой. К этому разряду относятся сокеты начиная с Socket 1 и заканчивая Socket 7. Номер сокета представляет число пинов процессора.

Более поздние разъемы можно поделить на десктопные, мобильные и серверные. Такие разъемы производят компании Intel и AMD.

Десктопные сокеты компании AMD: Super Socket 7, Slot A, Socket 462/Socket A, Socket 754, Socket 939, сокеты линейки Socket AMD2 и AM3, FM1, FM2, AM1, AM4, TR4, TRX4. Последние из них работают на новой микроархитектуре Zen и обладают поддержкой памяти DDR4.

К серверным сокетам AMD относятся Socket 940, серии Socket F, Socket C, Socket G, Socket S. Такие сокеты используются для процессоров крупных дата-центров и ИТ-организаций.

Сокеты производства компании Intel, как и их процессоры наиболее популярны в современных персональных компьютерах. К ним относятся Socket R, B2, которые использованы в процессорах Core i7 и Xeon, Socket 270, Socket 478 и другие.

• 1. Многоядерные и мультипроцессорные системы

Архитектура многоядерных процессоров во многом повторяет архитектуру мультипроцессоров, которые впервые появились на рынке в конце 1980-х годов. Отличительной чертой мультипроцессоров было наличие нескольких процессоров и только одно адресное пространство, видимое для всех процессоров. Среди мультипроцессоров классифицируют симметричные мультипроцессоры и ассиметричные. Первые имеют архитектуру, в которой два или более одинаковых процессора сравнимой производительности подключаются к общей памяти и выполняют одни и те же функции. В этом классе процессоры тесно связаны друг с другом через общую шину и имеют равный доступ к памяти и устройствам ввода-вывода и управляются одной копией ОС [21].

Рисунок 14 Схема симметричной мультипроцессорной системы

В системе с ассиметричной мультипроцессорностью не все процессоры играют одинаковую роль. Например, только один процессор может выполнять операции ввода-вывода, а другой используется для исполнения кода ОС.

Возвращаясь к архитектуре многоядерных процессоров важно упомянуть, что различают два поколения. Первое поколение представляло собой самые простые схемы – два процессорных ядра, размещенных на одном кристалле без разделения ресурсов, кроме шины памяти, к ним относится, например, Intel Pentium D, о котором упоминалось ранее как о самом первом двухъядерном процессоре.

Вторым поколением считается архитектура процессора, когда его вычислительные ядра совместно используют кэш второго или третьего уровня, к нему относятся все современные многоядерные процессоры. В таких процессорах намеренно снижают тактовую частоту, что позволяет уменьшить энергопотребление процессора без потери производительности. Удвоим количество ядер процессора и снизив вдвое их тактовую частоту, мы получаем ту же производительность, но при этом энергопотребление снизится в 4 раза, так как энергопотребление прямо пропорционально кубу от частоты процессора. В таблице 1 можно явно проследить зависимость между количеством операций в секунду и потребляемой мощностью.

Таблица 1 Производительность многоядерных процессоров

Процессор	Количество ядер	Миллионов операций в секунду (общее)	МФлопс (общее)	Количество потоков на ядро	Потребляемая мощность, Вт
SEAforth40	40	26000	–	1	0,5
Tile64pro	64	443000	–	1	20
Tile-Gx100	100	750000		1	10-50
AsAP	167	10824-196800	770	1	0,01-10
CSX700	192	48000	96000	1	9
Larrabee	~32		2000	4
G80	128		518000	96	150
Mips32 1004k	4	3200	90	2	0,4
xlp832	8	4000-16000		4	15-50
ARM11 MPCore	4	1200-2400		1
ARM Cortex-A9 MPCore	4	~8000		1
ARM Cortex-A5 MPCore	4	~2000		1
Cell Broadband	9	17000	250000	2	80
AMD Opteron	4/6/12	21600-46800	28800-41600/ 2 40-75 43200-62400/ 86400-124800	2	40-75
Sun Ultra Spark T2	4/6/8	7200-22400	11000	8	46/57/91
Intel Core i7	4/8	38400-105600	60000-70000	2	90-130
МС-24	2	640	480	1	1,5
МС-0226	3	1600	1200	1
NVCom-01	3	4800	3600	1	0,28-1,0

В данной главе мы рассмотрели историю создания процессоров, понятия мультипроцессорности и многоядерности, а также затронули форматы выпуска процессоров и их корпусов.

Заключение

В компьютере обязательно должно присутствовать устройство – центральный процессор, который выполняет арифметико-логические операции.

В многопроцессорной системе основные функции центрального процессора могут быть распределены между несколькими идентичными процессорами для увеличения общей производительности вычислительной системы, при этом один из них считается главным.

В помощь процессору в компьютер также вводят сопроцессоры, которые ориентированные на эффективное применение на каких-либо специфических особенных функций.

Также широко распространены математические сопроцессоры, которые эффективно обрабатывают числовые данные в типах данных с плавающей точкой, графические сопроцессоры для отображения видео- и графической информации, выполняющие геометрические построения, обработку графических изображений, также сопроцессоры ввода/вывода, которые разгружают центральный процессор от многочисленных операций по взаимодействию с периферийными устройствами.

Часто могу применятся и другие сопроцессоры, хотя все они несамостоятельны – выполнение основного вычислительного процесса осуществляется центральным процессором, что в соответствии с программами выдает «задания» сопроцессорам по выполнению их «партий».

В работе выполнены следующие задачи:

• проведен анализ литературы по компьютерной тематике;
• рассмотрены принципы фон Неймана;
• описана архитектура ПК;
• рассмотрены основные функции и характеристики процессора;
• освоены принципы работы процессора.
• рассмотрены форматы выпусков и архитектуры процессора

Современные компьютеры работают с высокой скоростью, составляющей триллионы - сотни триллионов операций в секунду.

Отметим, что персональные компьютеры, более нежели какой-либо другой вид компьютеров, способствуют переходу к самым новым компьютерным информационным технологиям, но для этого нужен мощная база – центральный процессор.

Список использованной литературы

1. Аногилев Н.И. Информатика, Учебник для ВУЗов – М.: Издательство Academa, 2015. - 268 с.
2. Бойс Д. Осваиваем ПК. Русская версия. М.: Издательство Academa, 2015.-320 с.
3. Денисов А. Аппаратное обеспечение ПК. – Спб: Питер, 2012. - 461 с.
4. Евдокимов В.В. и др. Состав ПК. Учебник для вузов. Под ред. д. э. н., проф. В.В. Евдокимова. СПб.: Питер паблишинг, 2016.-382 с.
5. Информатика. Базовый курс. Учебник для Вузов/под ред. С.В. Симоновича, - СПб.: Питер, 2013.-142 с.
6. Информатика: Учебник/под ред. Н.В. Макаровой. - М.: Финансы и статистика, 2014. - 768 с.
7. Основы современных компьютерных технологий. Ред. Хомченко А.Д. Симонович С. В., Евсеев Г.А., Практическая информатика, Учебное пособие. М.: АСТпресс, 2014.-400 с.
8. Симонович С.В. Специальная информатика, Учебное пособие. М.: АСТпресс, 2015.-310 с.
9. Схемотехника/ Под ред. Н.В. Макаровой. - М.: Финансы и статистика, 2013.-200 с.
10. Фигурнов В. Э. IBM PC для пользователя. М.: Инфра-М, 2013.-410 с.
11. Шкаев А.В. Руководство по работе на персональном компьютере. Справочник. М.: Радио и связь, 2014.-210 с.
12. Шпарин В.А. Устройство ЭВМ. М.: Наука, 2015.-356 с.
13. Информатика для экономистов. Учебник для СПО / ред. Поляков В. П. М.: Юрайт, 2019. 524 с.
14. Набиуллина С.Н. Информатика и ИКТ. Курс лекций. М.: Лань, 2019. 72 с.
15. Новожилов О. П. Информатика. Учебник. М.: Юрайт, 2014. 620 с.
16. Попов А. М., Сотников В. Н., Нагаева Е. И. Информатика и математика для юристов. Учебник / ред. Попов А. М. М.: Юрайт, 2014. 512 с.
17. Кучумов, А.И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие / А.И. Кучумов. - М.: Гелиос АРВ, 2011. - 336 c.
18. 21. Лехин, С.Н. Схемотехника ЭВМ / С.Н. Лехин. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 672 c.
19. Гуров В.В, Чуканов В.О. Основы информационных технологий / В.В. Гуров, В.О. Чуканов – Издательство Бином, 2009. 272с.
20. Gheorghe Pascariu, Peter Cronin, Daniel Crowley Next-generation Electronics Packaging Using Flip Chip Technology – Newport Magazine, URL: https://mrsisystems.com/wp-content/uploads/2016/11/NEWPORT-AP-Flip-Chip-Nov-03.pdf
21. Столлингс В. Операционные системы / В. Столлингс – Издательство Вильямс, 2004, 848с.
22. Калачев А.В. Основы информационных технологий / А.В. Калачев– Издательство Бином, 2014. 248с.