Лекции по ВМСС. Конспект лекций по курсу "Электронные вычислительные машины, системы и сети"

• Название: Конспект лекций по курсу "Электронные вычислительные машины, системы и сети"
• Дата: 14.02.2022
• Размер: 3.89 Mb.
• Имя файла: Лекции по ВМСС.doc
• Тип: Конспект; #361333
• страница: 3 из 24

1.4 Процессор

Стержень материнской платы — процессор, точнее главный процессор (Central Processing Unit, CPU). Подобные процессоры находятся не только в РС - в принципе процессором оборудована каждая современная стиральная машина или микроволновая печь. CPU регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс. Однако материнскую плату составляет, естественно, не только процессор. Он находится в постоянном взаимодействии с другими элементами материнской платы до тех пор, пока PC включен.

Конечно же, процессоры отличаются друг от друга. В области PC имеется признанный лидер на рынке - фирма Intel, которая является (и была) "домашним" поставщиком CPU в IBM -совместимых PC. Известны еще две фирмы: это AMD и Cyrix. Процессоры, как и все электрические схемы, получили обозначение типов. Для PC обозначение CPU начинается с 80, затем следуют две или три цифры, которые при необходимости дополняются буквами или цифрами, указывающими тактовую частоту процессора. Перед типом процессора чаще всего имеется сокращение, идентифицирующее изготовителя. i80486DX-50 обозначает, например, процессор типа 80486, изготовленный фирмой Intel и работающий с тактовой скоростью 50 МГц. Микросхемы фирмы Advanced Micro Devices обозначаются префиксом AMD, а процессоры Cyrix маркируются как CX. При запуске PC эти буквы появляются на экране монитора перед номером типа процессора. Процессоры других изготовителей, установленные не как CPU, уже трудно идентифицировать. Обозначение "80" перед именем процессора часто опускают. При этом под контекстом "386" понимают не только процессор 80386, но и все периферийные микросхемы, расположенные на материнской плате.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

- Степень интеграции (показывает количество транзисторов на единицу площади)

- Внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных (количество одновременно обрабатываемых бит)

- Тактовая частота (частота, с которой процессор выполняет определенные операции) (периодический сигнал, используемый для временного согласования всех синхронных операций в устройствах вычислительной машины)

Типы процессоров

Исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC XT использовали микропроцессор Intel-8088. В начале 80-х годов эти микропроцессоры выпускались с тактовой частотой 4,77 МГц, затем были созданы модели с тактовой частотой 8, 10 и 12 МГц. Модели с увеличенной производительностью (тактовой частотой) иногда называются TURBO-XT. Сейчас микропроцессоры типа Intel-8088 производятся в небольших количествах, и для использования не в компьютере, а в различных специализированных устройствах.

Модель IBM PC AT использует более мощный микропроцессор Intel-80286, и ее производительность приблизительно в 4-5 раз больше, чем у IBM PC XT. Исходные варианты IBM PC AT работали на микропроцессорах с тактовой частотой от 12 до 25 МГц, т. е. работающие в 2-3 раза быстрее. Микропроцессор Intel-80286 имеет несколько больше возможностей по сравнению с Intel-8088, но эти дополнительные возможности используются очень редко, так что большинство программ, работающих на AT, будет работать и на XT. Сейчас микропроцессоры типа Intel-80286 также считаются устаревшими и для применения в компьютерах не производятся.

В 1988-1991 гг. большая часть выпускаемых компьютеров была основана на достаточно мощном микропроцессоре Intel-80386, разработанным фирмой Intel в 1985 г. Этот микропроцессор (называемый также 80386DX) работает в 2 раза быстрее, чем работал бы 80286 с той же тактовой частотой. Обычный диапазон тактовой частоты 80386DX - от 25 до 40 МГц. Кроме того, фирмой Intel был разработан также микропроцессор Intel-80386SX, он ненамного до роже Intel-80286, но обладает теми же возможностями, что и Intel-80386, только при более низком быстро действии (приблизительно в 1, 5-2 раза).

Микропроцессор Intel-80386 не только работает быстрее Intel-80286, но и имеет значительно больше возможностей, в частности, он содержит мощные средства для 32-разрядных операций (в отличие от 16-разрядных 80286 и 8088).

Эти средства активно используются производителями программного обеспечения, поэтому многие выпускаемые сейчас программы предназначены для использования только на компьютерах с микропроцессорами модели Intel-80386 или более старшей.

При создании микропроцессора Intel-80386 фирма Intel рассматривала его как самый передовой микропроцессор, обеспечивающий достаточную производительность для большинства решаемых задач. Однако получившая широчайшее распространение начиная с 1990-1991 гг. операционная оболочка Windows фирмы Microsoft резко увеличила требования к вычислительным ресурсам компьютера, и во многих случаях работа Windows-программ на компьютере с микропроцессором Intel-80386 оказалась слишком медленной. Поэтому в течение 1991-1992 гг. большинство производителей компьютеров переориентировались на использование более мощного микро процессора Intel-80486 (или 80486DX). Этот микропроцессор мало отличается от Intel-80386, но его производительность в 2-3 раза выше. Среди его особенностей следует отметить встроенную кэш-память и встроенный математический сопроцессор. Фирмой Intel также разработаны более дешевый, но менее производительный вариант -80486SX и более дорогие и более быстрые варианты -80486DX2 и DX4. Тактовая частота 80486 обычно находится в диапазоне 25-50 МГц, 80486DX2- 50-60 МГц, а DX4- до 100 МГц.

В 1993 г. фирмой Intel был выпущен новый микропроцессор Pentium (ранее анонсировавшийся под названием 80586). Этот микропроцессор еще более мощен, особенно при вычислениях над вещественными числами. Как и Intel-80486, он содержит встроенный математический сопроцессор, причем значительно более эффективный, чем у Intel-80486. Для увеличения производительности в Pentium применены и другие усовершенствования: более быстрая и более широкая магистраль передачи данных (шина данных), большой размер встроенной кэш-памяти, возможность выполнения двух инструкций одно временно и т. д. Тактовая частота выпускаемых микропроцессоров Pentium- от 60 до 233 МГц. При этом микропроцессоры Pentium работают в 1, 5-2 раза быстрее микропроцессоров типа 80486 с той же тактовой частотой, а для задач, требующих интенсивных вычислений над вещественными числами -в 3-4 раза быстрее.

В конце 1996 - начале 1997 годов Intel выпустила улучшенный процессор Pentium ММХ (MMX - Multimedia Extension). Хотя внешне он мало отличается от своего предшественника, архитектура команд претерпела сильные изменения. В наборе инструкций микросхемы появилось 57 новых. Они предназначены для выполнения задач, связанных с обработкой аудио-, видео-, графических и телекоммуникационных данных.

Чтобы разместить в корпусе существующего Pentium новые возможности, компании пришлось пойти на некоторые компромиссы, а именно - процессоры с ММХ не могут одновременно выполнять инструкции ММХ и операции с плавающей запятой, так как и для ММХ команд, и для чисел с плавающей запятой используются одни и те же регистры встроенного сопроцессора. А сделано это для сохранения полной совместимости Pentium ММХ с существующим программным обеспечением. Это не такая уж большая проблема, поскольку сопроцессор используют немногие программы. Однако если найдутся приложения, требующие от процессора частого переключения между операциями с плавающей запятой и ММХ, они будут выполняться на ММХ - процессоре медленнее, чем на обычном процессоре с той же тактовой частотой.

Корпорация Intel 7 мая 1997 года официально представила процессор Pentium II. Выпускаются варианты процессора с тактовой частотой 233 Мгц и 300 МГц, рассчитанные на питание 2.8 В. Главной новостью стало то, что Pentium II не совместим с существующими материнскими платами для Pentium. Новый процессор будет монтироваться в S.E.C-картридже (Single Edge Contact). Полностью закрытый корпус картриджа защищает компоненты, теплоотводящая пластина позволяет использовать любые радиаторы для пассивного или активного теплоотвода. Благодаря этому тепловыделение для модели с тактовой частотой 233 МГц не превышает 38.2 Вт (для сравнения: Pentium 200МГц выделяет 37.9 Вт). Картридж S.E.C будет вставляться в разъем Slot 1, предложенный Intel в качестве нового технологического стандарта форм-фактора компоновки компьютера.

В январе 1999 г. корпорация Intel официально представила свой микропроцессор для PC Pentium III. По словам представителя компании Сета Уолкера, Pentium III должен продвинуть технологию вперед сразу на нескольких фронтах, включая тактовую частоту (первые модели процессора будут работать на частоте 450 и 500 МГц), обработку графики, скорость и надежность работы с Интернетом. План дальнейшего развития семейства изделий Pentium III предусматривает переход с технологической нормы 0,25 мкм на 0,18 мкм (рабочее название соответствующего микропроцессора — Coppermine). Переход с 0,25 мкм на 0,18 мкм приведет к повышению его производительности и снижению потребляемой мощности. Это позволит довести быстродействие кристаллов до 600 МГц и выше. Тактовая частота первых 0,25-мкм процессоров Pentium III составит 450 и 500 МГц. В процессор добавлены новые инструкции. Этот набор команд с кодовым названием Katmai New Instructions нацелен на повышение производительности обработки графики. Кроме того, он поможет ускорить работу приложений видео, аудио, распознавания речи и других подобных технологий. В марте 2001 г. Intel выпустила процессор Xeon 900 МГц - он стал последним членом семейства Pentium III. Этот процессор оснащен 2-Мбайт кэшем второго уровня, что повышает его производительность.

В ноября 2000 г. корпорация Intel подтвердила свое намерение выпустить микропроцессор Pentium 4 и объявила об планах перевода массовых настольных PC с Pentium III на Pentium 4 уже к концу 2001 года. Процессор Pentium 4 построен на основе микроархитектуры Intel NetBurst. Это первая принципиально новая микроархитектура процессоров для настольных ПК, разработанная фирмой за последние пять лет, с тех пор как в 1995 году был выпущен процессор Pentium Pro с микроархитектурой P6. В архитектуре NetBurst используется несколько новых технологий: гиперконвейерная технология (Hyper Pipelined Technology) с глубиной конвейера, вдвое превышающей таковую в Pentium III; ядро быстрого выполнения (Rapid Execution Engine), повышающее производительность при работе с целочисленными данными за счет работы на удвоенной тактовой частоте по сравнению с частотой основного ядра; и кэш-память с отслеживанием выполнения (Execution Trace Cache), хранящая уже «декодированные» команды; таким образом устраняется задержка при анализе повторно исполняемых участков кода.

Процессор Pentium 4 содержит 42 млн транзисторов на кристалле, снабжен кэш-памятью объемом 256 Кбайт и имеет 144 новые инструкции — так называемые потоковые SIMD-расширения-2 (SSE2), ускоряющие обработку блоков данных с плавающей запятой. В качестве основы платформ на базе Pentium 4 применяется чипсет Intel 850. Это пока единственный набор микросхем на рынке, разработанный для нового процессора. Чипсет поддерживает двухканальную память Rambus Direct RAM (RDRAM) с пропускной способностью 1,6 Гбайт/с по каждому каналу и системную шину с тактовой частотой 400 МГц и пропускной способностью до 3,2 Гбайт/с. На самом деле тактовая частота системной шины равна 100 МГц, а за один такт выполняется четыре операции (аналогичное решение применяется в AGP 4x). Intel также представила первую системную плату ATX D850GB для настольных ПК на базе нового чипсета. В настоящее время выпускаются 1.4-, 1.5- и 1.7-ГГц версии Pentium 4. Они производятся по 0,18-микронной технологии.

По мнению ведущих аналитиков, в 2001 году производители микрочипов произведут переход 2-ГГц рубежа: новые технологии производства полупроводниковых микросхем, включая нанесение на полимерную пленку и сверхминиатюризацию, позволят производителям перейти рубеж в 2 ГГц.
Структура микропроцессора.

Микропроцессор-это полупроводниковое устройство, состоящее из одной или нескольких программно-управляемых БИС, включающих все средства, необходимые для обработки информации и управления, и рассчитанное на совместную работу с устройствами памяти и ввода-вывода информации.

Микропроцессор состоит из трех основных блоков:

- арифметически-логического

- блока регистров

- устройства управления

Арифметически-логическое устройство (АЛУ) - выполняет все арифметические и логические преобразования данных.

Устройство управления - электронный блок компьютера, включающий в работу устройства, блоки, электронные элементы и цепи в зависимости от содержания текущей команды.

Регистр - ячейка памяти в виде совокупности триггеров, предназначенных для хранения одного данного в двоичном коде.

Количество разрядов в регистре определяется разрядностью микропроцессора

Регистры общего назначения - образуют сверхоперативную и служат для хранения операндов участвующих в вычислениях, а также результатов вычислений.

Операндом называются - исходные данные, над которыми производятся различные действия в арифметическом устройстве.

Регистр команд - служит для хранения команды, выполняемой в текущий момент времени.

Счетчик команд - регистр, указывающий адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда.
Стек (стековая память) - совокупность связанных между собой регистров для хранения упорядоченных данных. Первый выбирается из стека данное попавшее туда последним, и наоборот.