Кафедра информатики и вычислительной техники
Курсовая
Микропроцессоры
Автор:
Руководитель:
Курск 2005
| ОГЛАВЛЕНИЕ | |||
| ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………... | 3 | ||
| 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ……………………... | 4 | ||
| 1.1 Определение микропроцессора…………………………………... | 4 | ||
| 1.2 Функции и строение микропроцессора…………………………... | 5 | ||
| 1.3 Эволюция микропроцессоров…………………………………….. | 9 | ||
| 1.3.1 Компании INTEL…………………………………………. | 10 | ||
| 1.3.2 Компании AMD…………………………………………… | 31 | ||
| 1.3.3 Компании APPLE…………………………………………. | 41 | ||
| 2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОПРОЦЕССОРОВ INTEL PENTIUM 4 3,2 ГГц, INTEL PENTIUM 4 EXTREME EDITION 3,2 ГГЦ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ AMD ATHLON 64 FX-51, AMD ATHLON 64 3200+, AMD ATHLON XP 3200+…………………………………………………………………………... | 57 | ||
| ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………. | 64 | ||
| СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………... | 67 | ||
| ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………. | 68 | ||
ВВЕДЕНИЕ
Процессоры персональных компьютеров отвечают единому стандарту, который задан фирмой Intel, мировым лидером в производстве процессоров для ПК. В старых компьютерах вы можете найти процессоры типовPentiumII,PentiumIII, в новейших -Pentium4. ФирмаAMDвыпускает процессоры, в общем аналогичные интеловским, но называются они немного иначе:K6 (пентиум второй), К7 илиAthlon(пентиум третий). И приходится скромной AMD предугадывать будущее индустрии, иногда опережая Intel с ее полумиллиардными доходами. Предсказуемо появление новых идей у отстающей компании — для нее это способ выжить. Но неожиданно то, что иногда эти идеи принимает на вооружение и Intel. Мы сейчас вели речь о так называемыхIBM-совместимых персональных компьютерах. На нашем рынке, как, впрочем, и в мире, их подавляющее большинство. В расчёте именно на этот стандарт пишутся игры, программы и прочее. Но есть ещё стандарт фирмыAppleдля персональных компьютеровMacintosh. «Маки» оснащены, как на войну, - в них сразу же в стандартном комплекте, есть и звуковая приставка с микрофоном и динамики, и модем для подключения к сети, и ещё кое-какие вещи, которые вIBM-совместимыхPCнадо покупать отдельно. Это мощные и простые в эксплуатации машины, порой (как, например, в настольных издательских системах) незаменимые. Однако у нас в России (да и во всём мире) их гораздо меньше, чемPC, и они заметно дороже.
В основе любой ПЭВМ лежит использование микропроцессоров. Он является одним из самых важнейших устройств в компьютере, которым привычно характеризуют уровень производительности ПК. Микропроцессор является "мозгом" и "сердцем" компьютера. Он осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера. Когда выбирают себе компьютер, первым делом выбирают себе микропроцессор, который будет соответствовать требованиям, тех или иных людей. От процессора зависит, как быстро будут запускаться программы, и даже насколько быстро будет происходить процесс архивации данных в WinRAR, я уже и не говорю о создании трёхмерной анимации в 3DMAXStudio. Из всего выше сказанного, я считаю, что моя тема очень актуальна и значима на сегодняшний день.
Цель моей работы состоит в том, чтобы узнать побольше о функциях и строении микропроцессора, проследить процессорную эволюцию трёх самых крупных и известных компаний: Intel,AMDиApple. А также провести тестирование нескольких самых популярных, на сегодняшний день, процессоров и выявить явного лидера среди них. Четвёртой целью является, то, чтобы каждый прочитавший эту работу смог выбрать процессор, который будет целиком отвечать его повседневным требованиям.
studfiles.net
Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора — это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура микропроцессора — это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных. 1. В соответствии с архитектурными особенностями, определяющими свойства системы команд, различают:
· Микропроцессоры с CISCархитектурой.
CISC(ComplexInstructionSetComputer) — Компьютер со сложной системой команд. Исторически они первые и включают большое количество команд. Все микропроцессоры корпораций Intel(IntegratedElectronics) и AMD(AdvancedMicroDevices) относятся к категории CISC.
· Микропроцессоры с RISCархитектурой.
RISC(ReducedInstructionSetComputer) — Компьютер с сокращенной системой команд. Упрощена система команд и сокращена до такой степени, что каждая инструкция выполняется за единственный такт. Вследствие этого упростилась структура микропроцессора, и увеличилось его быстродействие.
Пример микропроцессора с RISC-аpхитектуpой — PowerPC. Микропроцессор PowerPCначал разрабатываться в 1981 году тремя фирмами: IBM, Motorola, Apple.
· Микропроцессоры с MISCархитектурой.
MISC(MinimumInstructionSetComputer) — Компьютер с минимальной системой команд. Последовательность простых инструкций объединяется в пакет, таким образом, программа преобразуется в небольшое количество длинных команд.
2. Разрядность– максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.
Современные микропроцессоры построены на 32-х битной архитектуре x 86или IA -32(IntelArchitecture32 bit), но совсем скоро произойдет переход на более совершенную, производительную 64-х битную архитектуру IA -64(IntelArchitecture64 bit). Фактически переход уже начался, этому свидетельствует массовый выпуск и выход в продажу в 2003 году нового микропроцессора Athlon64 корпорации AMD(AdvancedMicroDevices), этот микропроцессор примечателен тем, что может работать как с 32-х битными приложениями, так и с 64-х битными. Производительность 64-х битных микропроцессоров намного выше. <img width=«506» height=«341» src=«ref-1_388827438-41739.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029"> Разрядность микропроцессора обозначается m/n/k/ и включает:
m — разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;
n — разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
k — разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. (Например, микропроцессор i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20)3. Объем адресуемой памяти – максимальный объем памяти, который может обслужить микропроцессор.
32-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Гб (4х109 байт) памяти, а 64-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Тб (64х1012 байт) памяти.
4. Набор дополнительных инструкций ( Instruction
Set )— применяются в современных CISC-микропроцессорах и способны значительно ускорить их работу. Естественно только при условии поддержки данных наборов со стороны приложения. Все традиционные современные процессоры поддерживают набор инструкций MMX, который был самым первым (разработан корпорацией Intel еще в 1997 году). MMX расшифровывается как MultiMedia eXtensions (мультимедийные расширения). Он представил дополнительные возможности, ориентированные на обработку цифрового изображения и звука. В основе технологии лежит концепция (микроархитектура) SIMD (Single Instruction Many Data – «одна команда, много данных»), когда при помощи одной инструкции одновременно обрабатывается несколько элементов данных. SSE, SSE2, 3DNow! — дальнейшее развитие этой идеи. Микропроцессоры Intel Pentium 3 поддерживают SSE, а Pentium 4 и AMD Athlon 64 еще и SSE2 (это относится и к соответствующим микропроцессорам IntelCeleron). Процессоры AMD Athlon и Duron поддерживают наборы инструкций 3DNow!Professional и MMX, в Athlon XP была добавлена поддержка SSE (на уровне микрокода ядра). Технологический процесс производства (Process
Technology) – техпроцесс определяет размеры элементов и соединений между ними в интегральной схеме. Измеряется в микрометрах (0,35 μm; 0,25 μm;…). Чем меньше число, тем меньше сам кристалл, следовательно, меньше потребляемая мощность и тепловыделение. А ведь тепловыделение сильно препятствует увеличению частоты, на которой работает микропроцессор. Где-то в 1997 году произошел переход с 0,25 μmна 0,18 μmтехнологию производства. А уже в 2001 году произошел переход на 0,13 μmтехнологию, что позволило намного увеличить частоту. Вот-вот произойдет переход на 0,09 μm. Производительность микропроцессора определяется параметрами:
1. Тактовая частота (Частота ядра) ( Internal
clock )– 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. Один герц — один импульс, один мегагерц — один миллион импульсов, один гигагерц — тысяча мегагерц. Микропроцессор, работающий на тактовой частоте 800 МГц, выполняет 800 миллионов рабочих тактов в секунду. В зависимости от сложности обрабатываемой команды процессору для выполнения задачи необходимы сотни и тысячи тактов. Но для выполнения простых операций бывает достаточно одного такта. Чем выше тактовая частота ядра, тем выше скорость обработки данных. Современные микропроцессоры работают на частотах от 300 МГц до 4,7 ГГц.
2. Частота системной шины ( System
clock или Front
Side
Bus )– 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 66 МГц до 266МГц.3. Объем Кэш-памяти ( Cache )– Кэш-память быстрая память малой емкости, используемая процессором для ускорения операций, требующих обращения к памяти. Кеш – промежуточное звено между микропроцессором и опретивной 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. Кэш-память может работать на частоте 1/4, 1/3, 1/2, 1/1 от частоты ядра. Современные микропроцессоры имеют кэш объемом от 8 Кб до 5Мб. Предельно эксплуатационные параметры микропроцессоров:
1. Напряжение питания микропроцессора – величина питающего напряжения микропроцессоров зависит от технологического процесса и от частоты ядра. Чем меньше кристалл и ниже частота, тем меньше напряжение питания. Напряжение питания современных микропроцессоров от 0,5 В до 3,5 В, чаще всего от 1,2 В до 1,75 В.2. Ток ядра– у современных микропроцессоров ток, протекающий через ядро от 1 А до 90 А.3. Потребляемая мощность– зависит от величины питающего напряжения и от частоты ядра. Чем меньше напряжение питания и частота, тем меньше потребляемая мощность. Мощность современных микропроцессоров от 1Вт до 120 Вт. Чаще всего в пределах 40-70 Вт.4. Максимальная температура нагрева кристалла – максимальная температура кристалла, при которой возможна стабильная работа микропроцессора. У современных микропроцессоров она колеблется в пределах от 60˚С до 95˚С. Физические параметры микропроцессорв (Форм-фактор):
1. Тип, размеры корпуса
2. Размеры кристалла
3. Количество выводов
4. Форма расположения выводов
Микропроцессор AMD
Duron1100(Morgan)
<img width=«200» height=«197» src=«ref-1_388869177-8844.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030">
<img width=«200» height=«201» src=«ref-1_388878021-9427.coolpic» v:shapes="_x0000_i1031">
Вид сверху.
Вид снизу.
<img width=«500» height=«188» src=«ref-1_388887448-18745.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032">
Технология производства: 0,18 μm
Количество выводов: 462
Площадь ядра: 106 мм2
Количество транзисторов: 25,2 млн
<img width=«210» height=«167» src=«ref-1_388906193-3391.coolpic» alt=«Выноска-облако: KaZaK (BALABESKA)[[email protected]] (www.programz.by.ru)» v:shapes="_x0000_s1040"> Современные технологии полупроводникового производства.
В последние годы к стадии возможности использования в коммерческом производстве подошел целый ряд технологий, позволяющих заметно увеличить скорость работы транзисторов, либо столько же заметно уменьшить размер чипа без перехода на более тонкий технологический процесс. Некоторые из этих технологий уже начали применяться в течение последних месяцев, их названия упоминаются в новостях, относящихся к компьютерам, все чаще. Эта статья – попытка сделать краткий обзор подобных технологий, попытавшись заглянуть в самое ближайшее возможное будущее чипов, находящихся в наших компьютерах.
Первая интегральная схема, где соединения между транзисторами сделаны прямо на подложке, была сделана более 40 лет назад. За это время технология их производства претерпела ряд больших и малых улучшений, пройдя от первой схемы Джека Килби до сегодняшних центральных процессоров, состоящих из десятков миллионов транзисторов, хотя для серверных процессоров впору уже говорить о сотнях миллионов.
Здесь пойдет речь о некоторых последних технологиях в этой области, таких, как медные проводники в чипах, SiGe, SOI, перовскиты. Но сначала необходимо в общих чертах затронуть традиционный процесс производства чипов из кремниевых пластин. Нет необходимости описывать процесс превращения песка в пластины, поскольку все эти технологии не имеют к столь базовым шагам никакого отношения, поэтому начнем с того, что мы уже имеем кремниевую пластину, диаметр которой на большинстве сегодняшних фабрик, использующих современные технологии, составляет 20 см. Ближайшим шагом на ее превращении в чипы становится процесс окисления ее поверхности, покрытия ее пленкой окислов — SiO2, являющейся прекрасным изолятором и защитой поверхности пластины при литографии.
<img width=«400» height=«200» src=«ref-1_388909584-1790.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033">
Дальше на пластину наносится еще один защитный слой, на этот раз — светочувствительный, и происходит одна из ключевых операций — удаление в определенных местах ненужных участков его и пленки окислов с поверхности пластины, до обнажения чистого кремния, с помощью фотолитографии.
На первом этапе пластину с нанесённой на её поверхность плёнкой светочувствительного слоя помещают в установку экспонирования, которая по сути работает как фотоувеличитель. В качестве негатива здесь используется прецизионная маска — квадратная пластина кварцевого стекла покрытая плёнкой хрома там, где требуется. Хромированные и открытые участки образуют изображение одного слоя одного чипа в масштабе 1:5. По специальным знакам, заранее сформированным на поверхности пластины, установка автоматически выравнивает пластину, настраивает фокус и засвечивает светочувствительный слой через маску и систему линз с уменьшением так, что на пластине получается изображение кристалла в масштабе 1:1. Затем пластина сдвигается, экспонируется следующий кристалл и так далее, пока не обработаются все чипы на пластине. Сама маска тоже формируется фотохимическим способом, только засвечивание светочувствительного слоя при формировании маски происходит по программе электронным лучом примерно также, как в телевизионном кинескопе.
<img width=«519» height=«247» src=«ref-1_388911374-3272.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034">
В результате засвечивания химический состав тех участков светочувствительного слоя, которые попали под прозрачные области фотомаски, меняется. Что дает возможность удалить их с помощью соответствующих химикатов или других методов, вроде плазмы или рентгеновских лучей.
<img width=«519» height=«247» src=«ref-1_388914646-2889.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035">
После чего аналогичной процедуре (уже с использованием других веществ, разумеется) подвергается и слой окислов на поверхности пластины. И снова, опять же, уже новыми химикатами, снимается светочувствительный слой:
<img width=«400» height=«200» src=«ref-1_388917535-2499.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036">
Потом накладывается следующая маска, уже с другим шаблоном, потом еще одна, еще, и еще… Именно этот этап производства чипа является критическим в плане ошибок: любая пылинка или микроскопический сдвиг в сторону при наложении очередной маски, и чип уже может отправиться на свалку. После того, как сформирована структура чипа, пришло время для изменения атомной структуры кремния в необходимых участках путем добавления различных примесей. Это требуется для того, чтобы получить области кремния с различными электрическими свойствами — p-типа и n-типа, то есть, как раз то, что требуется для создания транзистора. Для формирования p-областей используются бор, галлий, алюминий, для создания n-областей — сурьма, мышьяк, фосфор.
Поверхность пластины тщательно очищается, чтобы вместе с примесями в кремний не попали лишние вещества, после чего она попадает в камеру для высокотемпературной обработки и на нее, в том или ином агрегатном состоянии, с использованием ионизации или без, наносится небольшое количество требуемых примесей. После чего, при температуре порядка от 700 до 1400 градусов, происходит процесс диффузии, проникновения требуемых элементов в кремний на его открытых в процессе литографии участках. В результате на поверхности пластины получаются участки с нужными свойствами. И в конце этого этапа на их поверхность наносится все та же защитная пленка из окисла кремния, толщиной порядка одного микрона.
<img width=«400» height=«200» src=«ref-1_388920034-2618.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037">
Все. Осталось только проложить по поверхности чипа металлические соединения (сегодня для этой роли обычно используется алюминий, а соединения сегодня обычно расположены в 6 слоев), и дело сделано. В общих чертах, так в результате и получается, к примеру, классический МОП транзистор: при наличии напряжения на затворе начинается перемещение электронов между измененными областями кремния.
<img width=«400» height=«200» src=«ref-1_388922652-2717.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038">
Теперь, слегка пробежавшись по классическому процессу создания сегодняшних чипов, можно более уверенно перейти к обзору технологий, которые предполагают внести определенные коррективы в эту картину.
Медные соединения
<img width=«218» height=«269» src=«ref-1_388925369-33211.coolpic» v:shapes="_x0000_i1039">IBM, техпроцесс CMOS 7S, первая медная технология, начавшая применяться при коммерческом производстве чипов
Первая из них, уже начавшая широко внедряться в коммерческое производство — это замена на последнем этапе алюминия на медь. Медь является лучшим проводником, чем алюминий (удельное сопротивление 0,0175 против 0,028 ом*мм2/м), что, в полном соответствии с законами физики, позволяет уменьшить сечение межкомпонентных соединений. Вполне своевременно, учитывая постоянное движение индустрии в сторону уменьшения размеров транзисторов и увеличения плотности их размещения на чипе, когда использование алюминия начинает становиться невозможным. Индустрия начала сталкиваться с этой проблемой уже в первой половине 90-х. Вдобавок, что толку в ускорении самих транзисторов, если соединения между ними будут съедать весь прирост скорости?
Проблемой при переходе на медь являлось то, что алюминий куда лучше образует контакт с кремнием. Однако после не одного десятка лет исследований, ученым удалось найти принцип создания сверхтонкой разделительной области между кремниевой подложкой и медными проводниками, предотвращающей диффузию этих двух материалов.
По данным IBM, применение в технологическом процессе меди вместо алюминия, позволяет добиться снижения себестоимости примерно на 20-30 процентов за счет снижения площади чипа. Их технология CMOS 7S, использующая медные соединения, позволяет создавать чипы, содержащие до 150-200 миллионов транзисторов. И, наконец, просто увеличение производительности чипа (до 40 процентов) за счет меньшего сопротивления проводников.
IBM начала предлагать клиентам эту технологию в начале 98 года, в конце этого года своим заказчикам предложили использовать медь при производстве их чипов TSMC и UMC, AMD начинает выпуск медных Athlon в начале 2000 года, Intel переходит на медь в 2002 году, одновременно с переходом на 0.13 мкм техпроцесс.
SiGe
Соединения — соединениями, но уже на скорости чипа в несколько ГГц перестает справляться с нагрузкой сама кремниевая подложка. И если для традиционных областей применения чипов кремния пока достаточно, в области беспроводной связи уже давно дефицит на дешевые скоростные чипы. Кремний — дешево, но медленно, арсенид галлия — быстро, но дорого. Решением здесь стало использование в качестве материала для подложек соединения двух основ полупроводниковой индустрии — кремния с германием, SiGe. Практические результаты по этой технологии стали появляться с конца 80-х годов. Первый биполярный транзистор, созданный с использованием SiGe (когда германий используется как материал для базы), был продемонстрирован в 1987 году. В 1992 году уже появилась возможность применения при производстве чипов с SiGe транзисторами стандартной технологии КМОП с разрешением 0.25 мкм.
Результатом применения становится увеличение скорости чипов в 2-4 раза по сравнению с той, что может быть достигнута путем использования кремния, во столько же снижается и их энергопотребление. При этом, в ход вступает все тот же решающий фактор — стоимость: SiGe чипы можно производить на тех же линиях, которые используются при производстве чипов на базе обычных кремниевых пластин, таким образом отпадает необходимость в дорогом переоснащении производственного оборудования. По информации IBM, потенциальная скорость транзистора (не чипа!) с их технологией составляет сегодня 45-50 ГГц (что далеко не рекорд), ведутся работы над увеличением этой цифры до 120 ГГц. Впрочем, в ближайшие годы прихода SiGe в компьютер ждать не стоит — при тех скоростях, что потребуется PC чипам в ближайшем будущем вполне хватает кремния, легированного такими технологиями, как медные соединения или SOI.
продолжение --PAGE_BREAK--
www.ronl.ru
Оглавление Введение 1. Структура микропроцессора
2. Основные характеристики микропроцессоров 3. Классификация микропроцессоров Заключение Практическая часть Список литературы Доработка
Введение
Для написания курсовой работы по информатике мною была выбрана тема: Класси-фикация, структура и основные характеристики микропроцессоров Персональных компьютеров (ПК). Актуальность этой темы состоит в том, что микропроцессор компьютера является его «мозгом» или его основной составляющей. Полученные в ходе написания работы знания могут пригодиться в практической деятельности, например при покупке персонального компьютера. Для раскрытия выбранной темы необходимо рассмотреть ряд вопросов, таких как: из чего состоит микропроцессор, какие характеристики надо учитывать при выборе персонального компьютера, каковы перспективы развития микропроцессоров, чем отличаются микропроцессоры основных фирм-производителей, на какие преимущества микропроцессоров следует обращать особое внимание.
1.Структура микропроцессора
Микропроцессор – это устройство, выполняющее обработку информации на персо-нальных компьютерах, управляет вычислительным процессом, арифметическими и логическими операциями. Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства: Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере. Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для цело-численных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции обрабатываются при помощи АЛУ. Эти опе-рации составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах - специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно испол-нять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: "Да" и "Нет" ("1" и "0"). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены. AGU (Address Generation Unit) - устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU. Математический сопроцессор. Процессор может содержать несколько математи-ческих сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высоко-точные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления. Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью. Дешифратор инструкций (команд). Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообще-ние другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств. Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процессора. Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов. Кэш второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня. Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно ме-нее быстродействующая. Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производи-тельных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не обяза-тельно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками. Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процес-сором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется КЭШем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти. Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью. Типы шин: Шина данных. Служит для пересылки данных между процессором и памятью или процессором и устройствами ввода-вывода. Эти данные могут представлять собой как команды микропроцессора, так и информацию, которую он посылает в порты ввода-вывода или принимает оттуда. Шина адресов. Используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устрой-ства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему. Шина управления. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него). Регистры - это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специали-зированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информа-ции микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций. Над содержимым некоторых регистров спе-циальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или вы-полнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например: сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции. счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очеред-ной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из по-следовательных ячеек памяти. регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, не-обходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.
рис. 1 На рисунке 1 изображен микропроцессор: Производитель AMD, Ассоциируемая платформаторговая марка AMD Athlon ™, тип разъема Socket AM2 , количество контактов 940, внутренняя тактовая частота 2000 MHz, частота шины данных 1000 MHz, количество ядер 2 шт., объем кэш памяти 1 уровня 2 x 128 KB, объем кэш памяти 2 уровня 2 x 512 KB, напряжение питания 1.20 V, наименование ядра Windsor, количество транзисторов 1000 шт.
1. Основные характеристики микропроцессоров 1. Тактовая частота микропроцессора Импульсы тактовой частоты поступают от задающего генератора, располо-женного на системной плате. Тактовая частота микропроцессора - количество импульсов, создаваемых генератором за 1 секунду. Тактовая частота необходима для синхронизации работы устройств ПК. Влияет на скорость работы микропроцессора. Чем выше тактовая частота, тем выше его быстродействие. 2. Быстродействие микропроцессора. Быстродействие микропроцессора - это число элементарных операций, вы-полняемых микропроцессором в единицу времени (операции/секунда). 3. Разрядность процессора. Разрядность процессора - максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. 4. Функциональное назначение микропроцессора. 1. Универсальные, т.е. основные микропроцессоры. Они аппаратно могут выполнять только арифметические операции и только над целыми числами, а числа с плавающей точкой обра-батываются на них программно. 2. Сопроцессоры. Микропроцессорный элемент, дополняющий функциональные воз¬можности основного процессора. Сопроцессор расширяет набор команд компьютера. Когда основной процессор получает команду, которая не входит в его рабочий набор, он может пере-дать управление сопроцессору, в рабочий набор которого входит эта команда. Например, существуют сопроцессоры математические, графические и т.д. 5. Архитектура микропроцессора. В соответствии с архитектурными особенностями, определяющи-ми свойства системы команд, различают: 1. Микропроцессоры с CISC архитектурой. CISC - Complex Instruction Set Computer - Компьютерp со сложной системой команд. Исторически они первые и включают большое количество команд. Все микропроцессоры фирмы INTEL относятся к категории CISC. 2. Микропроцессоры с RISC архитектурой.
2. Классификация микропроцессоров По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные. Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать авто-номно. По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры. Универсальные микропроцессоры могут быть применены для реше-ния широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач. Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры цифровые устройства, однако, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой функциональные аналоговые преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре. По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные. Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов). Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными. По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно - и многомагистральные. В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов. В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключа-ются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность. По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры. В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы. В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.
Заключение Микропроцессор представляет собой компьютер в миниатюре. Кроме обрабатывающего блока, он содержит блок управления, и даже память (внутренние ячейки памяти). Это значит, что микропроцессор способен автономно выполнять все необходимые действия с информацией. Многие компоненты современного персонального компьютера содержат внутри себя миниатюрный компьютер. Массовое распространение микропроцессоры получили и в производстве, там, где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд. Микропроцессоры незаменимы в современной технике. Например, управление современным двигателем - обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т. д. - немыслимо без использования микропроцессоров. Еще одной перспективной сферой их использования является бытовая техника - применение микропроцессоров придает ей новые потребительские качества. Вскоре на рынке появится новый микропроцессор, который в перспективе способен расширить выбор элементной базы для недорогих ПК. Микросхема называется IDT-C6 и представляет собой микропроцессор класса Pentium, изготовление которого компания Integrated Device Technology Inc. планирует начать осенью этого года. Компания, расположенная в Санта-Кларе (шт. Калифорния), намеревается выпускать микропроцессоры с внутренней тактовой частотой 150, 180 и 200 МГц и средствами MMX, сообщил Гленн Хенри, президент компании IDT, разработавшего эту микросхему. Это все говорит о том, что производство и усовершенствование микропро-цессоров не стоит на месте. Современные технологии с каждым днем упро-щают работу человека с компьютером, давая ему больше возможностей для работы. Практическая часть
Доработка
Слово "Socket" переводится с английского языка как "разъем" (куда устанавливается процессор), следующая за ним магическая цифра означает всего-навсего количество контактов. То есть Socket-754 содержит 754 контакта, а Socket-939 имеет 939 контактов. Коренное различие между процессорами, ориентированными на разные сокеты, заключается во встроенном в них контроллере оперативной памяти. У процессоров, устанавливающихся в Socket-754, контроллер памяти одноканальный, а у процессоров, рассчитанных на Socket-939, он двухканальный. Именно для поддержки двухканальности контроллера памяти и потребовались "лишние" ножки в этом компьютерном разъеме. Процессор соединяется с остальными блоками материнской платы с помо-щью шины, называющейся "HyperTransport". Частота работы этой шины для процессоров под Socket-754 равна 800 МГц. У процессоров же под Socket-939 частота шины составляет 1000 МГц. Socket-754, и Socket-939 используют, по сути, одни те же микропроцессоры, которые упакованы в разные корпуса. Платформа Socket-939 на данный момент времени имеет два главных пре-имущества перед платформой Socket-754. Во-первых, под нее выпускаются процессоры Athlon-64 на современных ядрах. Под Socket-754 имеются только Athlon-64 на морально устаревших ядрах первых ревизий. Представители новых ядер (Winchester, Venice) попадают сюда только в виде процессора Sempron, у которого отсутствует поддержка 64-битных вычислений и уменьшен кэш. Второе преимущество платформы Socket-939 заключаются в том, что дву-ядерные процессоры Athlon-64-X2 изначально предназначены для установки именно в Socket-939. Подводя итог можно сказать что обычному домашнему пользователю предпочитать платформу Socket-939 платформе Socket-754 следует лишь в том случае, если стоимость двух систем будет незначительно (для вас лично) отличаться одна от другой. Если же вы работаете на компьютере профессионально, то выбирайте бы Socket-939.
Отличия процессоров Pentium и Celeron, Athlon и Duron.
Процессор Celeron является бюджетной (урезанной) версией соответствующего (более производительного, но и значительно более дорогого) main-stream процессора, на основе ядра которого он был создан. У процессоров Celeron в два или в четыре раза меньше кэш памяти второго уровня. Так же у них по сравнению с соответствующими "родителями" понижена частота системной шины. У процессоров Duron по сравнению с Athlon в 4 раза меньше кэш памяти и заниженная системная шина 200МHz (266MHz для Applebred), хотя существуют и "полноценные" Athlon c FSB 200MHz. В ближайшее время Duron'ы на ядре Morgan совсем пропадут из продажи - их производство уже достаточно давно свернуто. Их должны заменить Duron на ядре Applebred, являющие собой ни что иное, как урезанные по кэшу AthlonXP Thoroughbred. Так же уже появились урезанные по кэшу Barton’ы, ядро которых носит название Thorton. Есть задачи, в которых между обычными и урезанными процессорами почти нет разницы, а в некоторых случаях отставание довольно серьёзное. В среднем же, при сравнении с неурезанным процессором той же частоты, отставание это равно 10-30%. Зато урезанные процессоры имеют тенденцию лучше разгоняться из-за меньшего объёма кэш памяти и стоят при этом дешевле. Короче говоря, если разница в цене между нормальным и урезанным процессором значительная, то стоит брать урезанный. Хотя здесь необходимо отметить, что процессоры Celeron работают весьма плохо по сравнению с полноценными P4 - отставание в некоторых ситуациях достигает 50%. Это не касается процессоров Celeron D,в которых кэш второго уровня составляет 256 кбайт (128 кбайт в обычных Celeron) и отставание уже не такое страшное.
Ключевые слова страницы: как, скачать, бесплатно, без, регистрации, смс, реферат, диплом, курсовая, сочинение, ЕГЭ, ГИА, ГДЗ
referatzone.com
