КОЗ 3 нед. Микропроцессоры
 Скачать 1.39 Mb.
|
|
Микропроцессоры Большинство людей из моего окружения родились на рубеже XX-ого и XXI-ого века. Для них компьютеры существовали всегда, поэтому они стали чем-то обыденным, и не многие из сверстников понимают, как это работает. Микропроцессоры, появившись в 1971 году, достаточно быстро прошли свой путь становления. Что такое микропроцессор? Как проходило развитие микропроцессоров? Ответ на эти вопросы является задачей моего эссе. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет предложить вариант вектора развития человечества, который обходится без обслуживания компьютерной индустрией. Ради нужд науки создаются суперкомпьютеры, к примеру, самый мощный “представитель“ имеет вычислительную мощность, превосходящую таковую примерно в 4,5 млн. раз у самого производительного персонального собрата, произведённого Intel в 2014 году. Получают дальнейшее развитие способы изготовления и применения микропроцессоров. Первые цифровые микросхемы создавались с целью заменить человека при выполнении рутинной вычислительной работы, однако вскоре стало известно, что их также можно использовать для управления другими объектами. Эта цифровая модель базируется на двоичной системе счисления, и за единицу принимается высокое напряжение, а ноль – за низкое. Особой ценностью компьютеров является их универсальность, которая определяется программируемостью, но не все образцы первых компьютеров были таковыми по-настоящему. Большинство из них были заточены на решение конкретной задачи. Первым поколением вычислительных машин принято считать компьютеры на основе электровакуумных триодов (электронная лампа), в которых основным запоминающим устройством была матрица из магнитных сердечников (ферритовая память). С изобретением микропрограммирования появилась возможность расширить сферу применений компьютера. Во втором поколение электровакуумные лампы были заменены на транзисторы. Это обеспечило достижение миниатюризации, повышение надежности схем и снижение энергопотребления. Но несмотря на очевидные преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами, эта технология в своё время не получила широкого распространения из-за высокой стоимости подобных элементов, поэтому такие компьютеры были доступны только университетам и крупным корпорациям. Что касается сферы их применения, она не отличается от такой у ламповых компьютеров. Повсеместное использование компьютеров началось с третьего поколения. Переход в новое поколение ознаменовала разработка технологии создания интегральных схем, подразумевающая размещение электронных компонентов на монолитном полупроводниковым кристалле, что позволило увеличить быстродействие компьютерных систем, увеличить ремонтопригодность и достичь ещё большей миниатюризации. В начале 70-х годов прошлого столетия появились первые коммерческие микропроцессоры. Предпосылкой к их созданию послужила идея размещения многих интегральных схем, выполнявших все арифметические, логические и управляющие операции, на едином кристалле. В основе принципов работы микропроцессоров являются полупроводниковые свойства кремния. Сам процесс производства микропроцессоров можно разделить на несколько этапов, таких как добыча кремния, очистка кремния от примесей, формирование монокристалла, нарезка его на пластины, шлифовка кремниевых заготовок, фотолитография, соединение новоиспеченных транзисторов при помощи сульфида меди, распыляемого на заготовку, повторная шлифовка, тестирование заготовок, вырезание заготовок из пластины, выбраковка не прошедших проверку микропроцессоров и размещение их в корпусах. Микропроцессоры – это универсальные устройства, позволяющие упростить обработку информации практически во всех сферах человеческой деятельности. Современная компьютерная индустрия пошла по пути миниатюризации, постоянно уменьшая размер полупроводниковых компонентов, что позволяет разместить большее количество этих компонентов на прежней площади, увеличивая производительность и снизить тепловыделение. Структура микропроцессора определяется непосредственно его архитектурой. Изменение архитектуры обеспечивается изменением состава аппаратных блоков. Под понятием процессорной архитектуры подразумевается совокупность реализуемых средств, предоставляемых пользователю, доступные регистры, система управляющих команд, структура адресуемой памяти, методы её адресации, реализуемые прерывания и методы их обработки. Вся оперативная память компьютера представлена огромной группой регистров. некоторые из этих регистров недоступны для перезаписи программами, работающими в пользовательском окружении. Их называют служебными регистрами. Запись в них обычно осуществляет управляющая программа в роли которой выступает операционная система, и с её помощью определяется последовательность исполняемых команд, режимы работы процессора. В зависимости от структуры и архитектуры микропроцессора, меняется способ взаимодействия устройств, размещенных на самом кристалле. Обычно в структуру входят такие элементы, как: процессорное ядро (выполняет все логические операции), кеш-память (обеспечивает хранение операндов, используемых непосредственно во время вычислений), блок связи с системной шиной ( по ней передаются данные остальным блокам компьютерной системы), различные цифро-аналоговые преобразователи (и наоборот), а так же некоторые вспомогательные элементы (тактовый генератор и т.д.). Современные микропроцессоры как правило реализуют следующие варианты архитектур: с длинным набором команд, что позволяет использовать наиболее эффективные алгоритмы для решения широкого спектра задач (CISC) и с коротким набором команд, где их количество сокращено в несколько раз (RISC). Для достижения производительности RISC-процессоров сравнимой с процессорами других архитектур, число общедоступных регистров в них доводят до ста штук. Компьютерная индустрия уперлась в потолок производительности, предоставляемой CISC-архитектурой. Современная тенденция такова, что происходит всеобщий переход на RISC-процессоры из-за их большей производительности, а там, где нет возможности упразднить CISC-процессоры, для из производства используется RISC-ядро. На данный момент существует много RISC-подобных архитектур. Более ранние представители x86-процессоров ранее были построены на CISC-архитектуре, но начиная с Intel Pentium Pro, являются гибридными микропроцессорами, использующими аппаратный транслятор, обеспечивающий перекодирование CISC-команд в RISC-аналоги непосредственно во время их исполнения. Заключение На данный момент можно сказать, что закон Мура, по которому каждые 2 года число транзисторов удваивается, а вследствие, их производительность так же растет, по-прежнему актуален, но будет ли так продолжаться дальше, никто точно сказать не может. Уже сейчас производятся исследования на предмет возможности создания квантовых компьютеров, где используются явления из современной квантовой теории. Возможно, в ближайшем времени произойдет скачек в области этих исследований, и компьютерную индустрию ждёт серьезное потрясение. Разработка квантовых компьютеров потенциально может сделать продукты лучше: есть задачи, которые непрактично решать обычными ЭВМ. Но это лишь отдалённые перспективы. |