реферат. Пирожкова Пкс-21 реферат. Архитектура микропроцессора
 Скачать 32.11 Kb.
|
|
КГПК «Курский Государственный Политехнический Колледж» РЕФЕРАТ: На тему: «Архитектура микропроцессора» Выполнит студент 2 курса: Пирожкова Оксана ПКС-21 Проверил: Преподаватель Чуйченко Е.И. 2020 Оглавление: Введение. История развития микропроцессоров. Работа микропроцессора с памятью. Методы адресации. Форматы данных. Заключение. Список литературы. 1.Введение: Процесс взаимодействия человека с ЭВМ насчитывает уже более 40лет. До недавнего времени в этом процессе могли участвовать только специалисты - инженеры, математики - программисты, операторы. В последние годы произошли кардинальные изменения в области вычислительной техники. Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились малогабаритные, удобные для пользователя персональные компьютеры. Ситуация изменилась, в роли пользователя может быть не только специалист по вычислительной технике, но и любой человек, будь то школьник или домохозяйка, врач или учитель, рабочий или инженер. Часто это явление называют феноменом персонального компьютера. В настоящее время мировой парк персональных компьютеров превышает 20 млн. Почему возник этот феномен? Ответ на этот вопрос можно найти, если четко сформулировать, что такое персональный компьютер и каковы его основные признаки. Надо правильно воспринимать само определение " персональный", оно не означает принадлежность компьютера человеку на правах личной собственности. Определение "персональный" возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ без посредничества профессионала-программиста, самостоятельно, персонально. При этом не обязательно знать специальный язык ЭВМ. Существующие в компьютере программные средства обеспечат благоприятную " дружественную" форму диалога пользователя и ЭВМ. В настоящее время одними из самых популярных компьютеров стали модель IBM PC и ее модернизированный вариант IBM PC XT, который по архитектуре, программному обеспечению, внешнему оформлению считается базовой моделью персонального компьютера. Основой персонального компьютера является системный блок. Он организует работу, обрабатывает информацию, производит расчеты, обеспечивает связь человека и ЭВМ. Пользователь не обязан досконально разбираться в том, как работает системный блок. Это удел специалистов. Но он должен знать, из каких функциональных блоков состоит компьютер. Мы не имеем четкого представления о принципе действия внутренних функциональных блоков окружающих нас предметов - холодильника, газовой плиты, стиральной машины, автомобиля, но должны знать, что заложено в основу работы этих устройств, каковы возможности составляющих их блоков. 2. История развития микропроцессоров В 1959 году инженеры фирмы "Texas Instruments" разработали способ, как разместить внутри одного полупроводникового кристалла несколько транзисторов и соединить их между собой - родилась первая интегральная микросхема (ИМС). По сравнению с теми же устройствами, собранными из отдельных транзисторов, резисторов и т.п., ИМС обладает значительными преимуществами: меньшими габаритами, более высокой надежностью и т.д. Неудивительно, что количество выпускаемых микросхем стало быстро возрастать, а их ассортимент неуклонно расширялся. Последнее обстоятельство создавало ряд трудностей для потребителей. Важно даже не столько то, что стремительно возраставшее количество типов ИМС затрудняло ориентацию в море наименований. Значительно большим недостатком была узкая специализация ИМС, из-за которой объем их выпуска не мог быть большим, а значит стоимость одной микросхемы оставалась высокой. Улучшить ситуацию позволило бы создание универсальной логической ИМС, специализация которой определялась не заложенной на заводе внутренней структурой, а заданной непосредственно самим потребителем программой работы. Таким образом, оказывается, что первые микропроцессоры (МП) появились совсем не для миниатюризации ЭВМ, а в целях создания более дешевой логической микросхемы, легко адаптируемой к потребностям пользователя. микропроцессор память персональный компьютер История создания самого первого в мире микропроцессора интересна и достаточно поучительна. Летом 1969 года японская компания "Busicom", разрабатывавшая новое семейство калькуляторов, обратилась за помощью в фирму "Intel". К тому времени "Intel" просуществовала всего около года, но уже проявила себя созданием самой емкой на тот момент микросхемы памяти. Фирме "Busicom" как раз и требовалось изготовить микросхемы, содержащие несколько тысяч транзисторов. Для реализации совместного проекта был привлечен инженер фирмы "Intel" М.Хофф. Он познакомился с разработками "Busicom" и предложил альтернативную идею: вместо 12 сложных специализированных микросхем создать одну программируемую универсальную - микропроцессор. Проект Хоффа победил, и фирма "Intel" получила контракт на производство первого в мире микропроцессора. Практическая реализация идеи оказалась непростым делом. В начале 1970 года к работе подключился Ф.Фаджин, который за 9 месяцев довел процессор от описания до кристалла (позднее Ф.Фаджин основал фирму "Zilog", создавшую замечательный 8-разрядный процессор Z80, который и сейчас успешно работает во многих домашних компьютерах). 15 ноября 1971 года "Intel 4004" - так назвали процессор - был представлен общественности. Особо подчеркнем, что для хранения одной цифры калькулятору требуется 4 бита (именно столько необходимо для изображения десятичных цифр 8 и 9), поэтому "Intel 4004" был четырехразрядным процессором. Следующий микропроцессор предназначался для установки в терминал и должен был обрабатывать символьную информацию. Поскольку каждый символ кодируется одним байтом, следующая модель "Intel 8008" не могла не быть 8-разрядной; она появилась в апреле 1982 года. По-прежнему этот процессор был заменой "аппаратной логики", но отдельные энтузиасты уже пытались собрать на нем компьютер. Результаты были скорее демонстрационными нежели полезными, но микрокомпьютерная революция уже началась. А в апреле 1974 года компания "Intel" совершила новый качественный скачок: ее изделие с маркой "Intel 8080" стало первым в мире процессором, походившим на "настоящую" вычислительную машину. Отметим любопытную деталь: хотя процессор и обрабатывал 8-разрядные данные, но адрес ОЗУ был двухбайтовым! Таким образом, 8080 мог иметь до 64 килобайт памяти, что по тем временам казалось программистам недостижимым пределом. Дальнейшее развитие событий происходило прямо-таки с фантастической скоростью, даже если сравнивать с темпами динамично развивающейся вычислительной технике. За десятилетие был пройден путь от изобретения 4-разрядного МП до достаточно сложной 32-разрядной архитектуры. Было ликвидировано отставание микропроцессорной техники от обычных ЭВМ и началось интенсивное вытеснение последних (все ЭВМ четвертого поколения собраны на базе того или иного микропроцессора!) Для иллюстрации укажем, что первый МП 4004 содержал 2200 транзисторов, 8080 - 4800, "Intel 80486" - около 1,2 миллиона, а современный Pentium - около 3-х миллионов! История развития микропроцессоров представляет собой достаточно интересную самостоятельную тему. В создании процессорных микросхем фирма "Intel" по-прежнему сохраняет свои лидирующие позиции в этой области. Ее программно-совместимое семейство последовательно усложняющихся МП (16-разрядные 8086, 80286 и 32-разрядные 80386, 80486, "Pentium") являются "мозгом" значительной части использующихся компьютеров. Именно на базе этих микропроцессоров собраны все широко распространенные в нашей стране IBM-совместимые компьютеры. Другую ветку обширного микропроцессорного семейства образуют МП фирмы "Motorola": ее изделия работают в известных компьютерах "Apple", а также в более простых - "Atari", "Commador", "Amiga" и др. Процессоры "Motorola" ничуть не хуже, а порой даже заметно лучше производимых компанией "Intel". Но на стороне последней - гигантские производственные мощности транснационального гиганта IBM и десятки южно-азиатских фирм, буквально наводнившие мир дешевыми IBM-совместимыми компьютерами. В 1993 году фирма "Motorola" совместно с "IBM" и "Apple" разработала новый процессор PowerPC. Этот процессор имеет очень хорошие технические характеристики, но самое главное в нем - он может эмулировать работу компьютеров и Apple, и IBM. Очевидно, что это событие еще более обострит конкурентную борьбу на рынке микропроцессоров. Завершая, попробуем определить некоторые наиболее новые направления развития МП в ближайшем будущем. Характерной чертой последних моделей процессоров является возможность работы в многозадачном режиме, который фактически стал нормой для современных ЭВМ. Развивается RISC-архитектура микропроцессоров (процессоры с минимальным количеством команд). Такой МП работает необычайно быстро и способен выполнить любую из своих немногочисленных команд за один машинный такт, в то время как обычно на выполнение простой операции требуется 4-5 тактов. Ярким примером достоинств RISC-архитектуры является уже упоминавшийся процессор PowerPC. Следует особо подчеркнуть, что успехи RISC-подхода оказывают существенное влияние и на конструирование CISC-процессоров (процессоры с полным набором команд). Так, существенное ускорение классических CISC МП старших моделей семейства Intel достигается за счет конвейерного выполнения команд, заимствованного из RISC МП. И, наконец, нельзя не упомянуть о транспьютерах, содержащих в процессорном кристалле собственное ОЗУ от 2 до 16 Кбайт и каналы связи с внешним ОЗУ и с другими транспьютерами. Теоретические возможности этих ИМС, реализующих алгоритмы параллельных вычислений, поражают воображение. Однако потребуется значительное время прежде чем они смогут быть практически реализованы. Не следует думать, что бурное развитие микропроцессоров требуется только для вычислительных машин, где МП используются уже не только в качестве центрального процессора, но и в качестве контроллеров для управления сложными периферийными устройствами типа винчестера или лазерного принтера. Все большее число ИМС ставится в изделия, напрямую не связанные с ЭВМ, в том числе и бытовые: лазерные аудио- и видеопроигрыватели, телетекст и пейджинговая связь, программируемые микроволновые печи и стиральные машины, а также многое-многое другое. Очевидно, что количество таких управляемых микропроцессорами устройств будет все время возрастать. 3. Работа микропроцессора с памятью. Методы адресации.Адресное пространство МП состоит из множества ячеек памяти ОЗУ, из которых он может брать информацию или засылать ее. Как говорилось выше, начиная с 4-ого поколения доминирует байтовая организация памяти, и минимально адресуемой единицей является байт. Например, для ОЗУ емкостью 1024 Кбайта адреса байтов таковы: 00000 00001 . . . FFFFF (как принято, записываем их в 16-ричной системе; адрес последнего байта есть 1024*1024 - 1 = 520 - 1 = FFFFF). Длина же ячейки ("машинного слова") может быть, как один, так и несколько байт в зависимости от типа процессора и команды, обрабатывающей соответствующую информацию.При обмене информацией с памятью процессор обращается к ячейкам ОЗУ по их номерам (адресам). Способы задания требуемых адресов в командах ЭВМ принято называть методами адресации. От видов и разнообразия методов адресации существенно зависит эффективность работы программы с данными, особенно если последние организованы в определенную структуру. Для того, чтобы процессор мог извлечь данные из ячейки ОЗУ или поместить их туда, необходимо где-то задать требуемый адрес. Если адрес находится в самой команде, то мы имеем дело с прямой адресацией. Поскольку при подобном способе слишком сильно возрастает длина команды, то, чтобы избежать этого неприятного эффекта, при обращении к ОЗУ процессор использует метод косвенной адресации. Идея состоит в том, что адрес памяти предварительно заносится в один из регистров МП, а в команде содержится лишь ссылка на этот регистр. Если учесть, что при хранении адреса в регистре его еще очень удобно модифицировать (скажем, циклически увеличивая на заданную величину), становится понятным, почему косвенная адресация нашла такое широкое применение. Приведем описание наиболее распространенных вариантов ссылок на исходную информацию. Учитывая, что терминология для разных МП может отличаться, названия методов адресации не приводятся. 1. Данные находятся в одном из регистров МП. 2. Данные входят непосредственно в состав команды, т.е. размещаются после кода операции (операции с константой). 3. Данные находятся в ячейке ОЗУ, адрес которой содержится в одном из регистров МП. 4. Данные находятся в ячейке ОЗУ, адрес которой вычисляется по формуле: адрес = базовый адрес + смещение. Базовый адрес хранится в одном из регистров МП и является начальной точкой массива данных. Смещение может быть, как некоторой константой, так и содержимым другого регистра. Часто такой способ доступа к ОЗУ называют индексным, т.к. это похоже на нахождение элемента в одномерном массиве по его индексу. Следует подчеркнуть, что здесь описаны лишь наиболее общие методы адресации. У конкретных моделей МП существует некоторые особенности адресации ОЗУ. Кроме того, имеющиеся методы адресации могут комбинироваться между собой. Так, например, в процессорах семейства PDP возможна двойная косвенная адресация: данные хранятся в ячейке ОЗУ, адрес которой хранится в ячейке, адрес которой находится в указанном регистре (как тут не вспомнить детский стишок о синице, которая ворует пшеницу, которая в темном чулане хранится, в доме, который построил Джек?). Методы адресации могут быть и более экзотическими. Рассмотрим, например, широко распространенный сегментный способ, принятый в процессорах фирмы Intel. Известный американский программист Питер Нортон метко назвал этот способ словом "клудж" (от английского "kludge" - приспособление для временного устранения проблемы). Сегментный метод адресации был предложен для первого 16-разрядного МП 8086 для того, чтобы, используя 16-разрядные регистры, можно было получить 20-разрядный адрес и тем самым расширить максимально возможный объем ОЗУ с 64 Кбайт до 1 Мбайта. Суть метода состоит в том, что адрес ОЗУ вычисляется как сумма двух чисел (сегмента и смещения), причем одно из них сдвинуто влево на 4 двоичных разряда, т.е. умножено на 16. Пусть, например, сегмент в шестнадцатеричном виде равен А000, а смещение - 1000. Общепринятая запись такого адреса имеет вид А000:1000. Такой способ адресации более 64 Кбайт памяти кажется довольно странным, однако он работает", - не без некоторой иронии замечает по этому поводу Питер Нортон. Добавим, что помимо всего прочего, при сегментной адресации один и тот же адрес ОЗУ может быть представлен несколькими комбинациями чисел (в самом деле, одну и ту же сумму можно получить разными способами). К счастью, современные интеловские процессоры, начиная с 80386, стали 32-разрядными и их регистров хватает, чтобы адресовать до 4 Гбайт памяти. Сегментный способ при этом становится излишним, хотя и сохраняется как вариант ради обеспечения программной совместимости с предыдущими моделями. 4. Форматы данных.Почти каждая команда процессора нацелена на обработку данных, местонахождение которых определяется значениями адресов операндов. Для понимания работы процессора существенно представлять, какого рода данные он может обрабатывать. Если в ходе исполнения программы ее остановить, прочитать содержимое какой-нибудь ячейки памяти ОЗУ, к которой в это мгновение обращается процессор, и попытаться понять, что именно хранится в этой ячейке, то это чаще всего невозможно сделать не расшифровав код выполняемой операции - сам по себе хранимый в ячейке двоичный код может быть и числом, и командой, и кодом символа, и чем-то еще. Все дело в том, как его интерпретирует работающая с ним команда. Перечислим некоторые форматы данных, типичные для 16-и разрядной ЭВМ. 8-и битовые целые числа без знака Каждое такое число занимает 1 байт и воспринимаются процессором как целые положительные числа. Следовательно, диапазон представимости чисел в этом формате от 00000000 до 11111111, т.е. от 0 до FF в 16-ричной системе (от 0 до 255 в десятичной). 8-и битовые целые числа со знаком В этом случае величина числа задается семью битами, а значение старшего бита определяет знак числа (0 - положительное, 1 - отрицательное). В этом формате код 01101011 означает число +6B. Однако, код 11101011 не означает, как можно подумать, число -6B, т.к. для кодирования отрицательных чисел применяется т.н. дополнительный код. Он образуется следующим образом: · находится восьмиразрядное двоичное представление абсолютной величины числа; · найденный код инвертируется, т.е. в нем нули заменяются на единицы и наоборот; · к полученному коду арифметически прибавляется 1. Например, процесс получения дополнительного кода десятичного числа -75 таков: 01001011 010110100 010110101. Использование дополнительного кода облегчает организацию арифметических действий в процессоре (который, как правило, не имеет даже аппаратно реализованной операции вычитания - все надо сводить к сложению целых чисел). Обратная процедура - восстановление значения числа по дополнительному коду - такова: инверсия дополнительного кода - арифметическое прибавление единицы - получен модуль отрицательно числа, представленного данным кодом. Диапазон представимости чисел в этом формате - от -128 до +127. 16-и битовые целые числа со знаком и без знака Они в точности аналогичны 8-и битовым, но код имеет вдвое большую длину. Соответственно, многократно возрастает диапазон представимости: для чисел без знака от 0000 до FFFF (т.е. от 0 до 65535 в десятичной системе), для чисел со знаком - от -8000 до +7FFF (т.е. от -32768 до +32767). 8-и битовые символы В этом формате двоичный код интерпретируется обрабатывающей его командой как код символа. При работе с персональными ЭВМ обычно используется система кодирования ASCII, о которой говорилось в другом месте. В ней стандартизированы (закреплены за определенными символами) коды, у которых значение старшего бит а равно 0; все прочие коды остаются за символами национальных алфавитов и дополнительными специальными символами. 5. Заключение: Число персональных компьютеров как в мире, так и, в частности, в России стремительно растет; рынок ПК - самый перспективный и доходный среди остальных рынков вычислительной техники. В северной Америке и Западной Европе процент семей, имеющих ПК, приближается к 30. Без сомнения, в наши дни каждый должен изучить и понять компьютер не только теоретически, но, что наиболее важно, и практически. Анализ новых решений построения структуры компьютера показывает, что процессор, память, устройства ввода - вывода составляют основу любого компьютера. Рассмотрим наиболее распространенную структурную схему, которая лежит в основе наиболее часто встречающихся моделей компьютеров, в частности персональных. Современный компьютер можно представить в большинстве случаев упрощенной структурной схемой, где выделены центральная и периферийная части. К центральной части относятся процессор и внутренняя память, к периферийной части - устройства ввода-вывода и внешняя память. В основу упрощенной структурной схемы заложены принципы магистральности, модульности, микропрограммируемостью. Не следует надеяться, что развитие вычислительной техники как-то кардинально изменит наше существование. Компьютер не более (но и не менее) чем один из мощных двигателей прогресса (как энергетика, металлургия, химия, машиностроение), который берет на свои "железные плечи" такую важную функцию, как рутину обработки информации. Эта рутина всегда и везде сопровождает самые высокие полеты человеческой мысли. Именно в этой рутине очень часто тонут дерзкие решения, недоступные компьютеру. Поэтому так важно " свалить" на компьютер рутинные операции, чтобы освободить человека для его истинного предназначения-творчества. Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с двумя новыми направлениями - нано технологиями и квантовыми вычислительными системами. Эти пока еще главным образом теоретические исследования касаются использования в качестве компонентов логических схем молекул и даже субатомных частиц: основой для вычислений должны служить не электрические цепи, как сейчас, а положение отдельных атомов или направление вращения электронов. Если "микроскопические" компьютеры будут созданы, то они обойдут современные машины по многим параметрам. Список используемой литературы:1. Интернет2. Еремин Е.А. Популярные лекции об устройстве компьютера. - СПб. БХВ-Петербург, 2003.3. Ибрагим К.Ф. Устройство и настройка ПК / Пер. с англ. - М.: Бином, 2004...4. Косарев В.П., Сурков Е.М., Бакова И.В. Технические средства систем управления. - М.: Изд-во "Финансы и статистика", 2006.5. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2003. - М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2004.6. Столлингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. - М.: Вильямс, 2002.7. Уинн Л. Рош. Библия по модернизации персонального компьютера. - М.: Тивали-Стиль, 2005.8. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя, 6-е издание, переработанное и дополненное. - M.: ИНФРА-М, 1996. |