Реферат по информатике. Реферат процессор и кэшпамять по дисциплине информатика
 Скачать 1.86 Mb.
|
|
ОЦЕНКА РЕФЕРАТА РУКОВОДИТЕЛЬ
РЕФЕРАТ ВЫПОЛНИЛ
Санкт-Петербург 2020 Оглавление ПРОЦЕССОР И КЭШ-ПАМЯТЬ 1 Введение 3 История создания процессора 4 Структура центрального процессора 10 Модели процессора 12 Характеристики процессора 14 Кэш-память 15 Источники 17 ВведениеПроцессор является основным «мозговым» узлом, в задачу которого входит исполнение программного кода, который находится в памяти. В настоящее время под словом «процессор» подразумевают микропроцессор – микросхему, которая, кроме собственного процессора может содержать и другие узлы – например кэш-память. Процессор в определённой последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для обработки, пересылки и анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительные процессоры. В компьютер и обязательно должен присутствовать центральный процессор (CPU – Central Processing Unit), который исполняет основную программу. В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры, ориентированные на эффективное исполнение каких—либо специфических функций. Широко распространены математические сопроцессоры, эффективно обрабатывающие числовые данные в формате с плавающей точкой, графические сопроцессоры, выполняющие геометрические построения и обработку графических изображений, сопроцессоры ввода/вывода, разгружающие центральный процессор от не сложных, но многочисленных операций взаимодействия с периферийными устройствами. Возможны и другие сопроцессоры, но все они несамостоятельны – исполнение основного вычислительного процессора осуществляется центральным процессором, который в соответствии с программой выдает «задания» сопроцессорам. История создания процессораИстория развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем. Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью было низкое быстродействие, низкая надёжность, и большое тепловыделение.  Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на платы, близкие к современным по виду, устанавливаемые в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Повысилась надёжность, Возросло быстродействие, уменьшилось энергопотребление.  Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники. Сначала это были элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры. Позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд. Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах.  Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по быстродействию, надёжности или защите от ионизирующей радиации и электромагнитных импульсов. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также стали изготавливаться в формате микропроцессора. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё, по крайней мере, 10—15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Переход к микропроцессорам позволил в последствие создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом. Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, который содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц и стоил 300$. Позже его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешевый 8088, упрощенная версия 8086, с 8-разрядной шиной данных.   Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.  За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную. В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. Структура центрального процессораФункционально центральный процессор можно разделить на две части: Операционная часть. Содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) - регистры общего назначения. Интерфейсная часть. Содержит адресные регистры, устройство управления, регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и портами.  Обе части ЦП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) происходит во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Такая организация ЦП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Получив данные и команду, выполняет указанную операцию и записывает результат в один из свободных регистров. Устройство управления (УУ) вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций в другие блоки вычислительной машины. УУ формирует управляющие сигналы для выполнения команд центрального процессора. Системная шина – набор проводников, по которым передаются сигналы, соединяющая процессор с другими компонентами на системной плате. Системная шина состоит из шины данных, шины адреса, шины управления. Шина адреса – используется для передачи сигналов, при помощи которых определяется местоположение ячейки памяти для выполняемых процессором операций ввода-вывода и чтения/записи Шина данных – служит для пересылки данных между процессором и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) Шина управления – используется для пересылки управляющих сигналов. Каждая линия этой шины имеет своё особое назначение, поэтому они могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными Модели процессораСложилось так, что процессорный рынок уверенно завоевали две компании: Intel и AMD. Именно эти две компании остро соперничают между собой и ведут постоянную борьбу за клиента, перехватывая время от времени инициативу друг у друга. Ниже представлены обозначения моделей процессоров этих фирм:
Характеристики процессораНаиболее важным параметром процессора является его частота. Тактовая частота процессора на сегодняшний день измеряется в гигагерцах (ГГц), ранее измерялась в мегагерцах (МГц). Процессор «общается» с другими устройствами (оперативной памятью) с помощью шин данных, адреса и управления. Разрядность шин всегда кратна 8, изменчива в ходе исторического развития компьютерной техники и различна для разных моделей, а также не одинакова для шины данных и адресной шины. Разрядность шины данных говорит о том, какое количество информации (сколько байт) можно передать за раз (за такт). От разрядности шины адреса зависит максимальный объем оперативной памяти, с которым процессор может работать вообще. Частота на которой работает процессор компьютера определяется произведением частоты шины на некоторый множитель, который, как правило, нельзя изменять. Этот множитель задается автоматически, в зависимости от материнской платы. Однако, системные платы, которые позволяют делать "разгон" компьютера, разрешают делать изменение множителя, тем самым увеличивая скорость работы процессора в ущерб его надежности и долговечности работы. Разные модели процессоров для своей нормальной работы требуют разные напряжения питания, которые можно увеличивать при разгоне компьютера. Степпинг - модификации одного и того же ядра процессора, которые производятся с целью улучшения рабочих характеристик процессора. На производительность (мощность) процессора влияют не только его тактовая частота и разрядность шины данных. Важное значение также имеет и объем кэш-памяти. Кэш-памятьЦифровые технологии таковы, что скорость работы процессора в несколько раз превышает скорость работы памяти. Поскольку процессор и память всегда работают в паре, то, фактически скорость работы компьютера определяется скоростью работы памяти. Получается, что процессор бо́льшую часть времени простаивает без дела в ожидании пока память обработает очередную порцию данных. Чтобы разрешить данную ситуацию придумали кэш-память, которая встраивается непосредственно в микросхему процессора и работает на скоростях соизмеримыми со скоростью работы процессора. Кэш-память является одним из наиболее дорогих компонентов процессора - ее стоимость составляет половину его стоимости, но она позволяет значительно поднять производительность системы процессор-память, в результате чего значительно возрастает общая скорость работы компьютера. Кэш-память процессора изготавливают в виде микросхем статической памяти (англ. Static Random Access Memory, сокращенно - SRAM). По сравнению с другими типами памяти, статическая память обладает очень высокой скоростью работы. Из-за своей дороговизны размер кэш-памяти относительно небольшой, но этого оказывается вполне достаточно, так как в кэш-память помещаются только наиболее часто используемые в данный момент данные. В большинстве процессоров используется трехуровневая система кэша:- L1 (кэш-память первого уровня), L2 (кэш-память второго уровня) и L3 (кэш-память третьего уровня). Кэш-память первого уровня или L1 (от англ. Level - уровень) – очень маленькая, но самая быстрая и наиболее важная микросхема памяти. Ни в одном процессоре ее объем не превышает нескольких десятков килобайт. Работает она без каких-либо задержек. В ней содержатся данные, которые чаще всего используются процессором. Количество микросхем памяти L1 в процессоре, как правило, равно количеству его ядер. Каждое ядро имеет доступ только к своей микросхеме L1. Кэш-память второго уровня (L2) немного медленнее кэш-памяти L1, но и объем ее более существенный (несколько сотен килобайт). Служит она для временного хранения важной информации, вероятность запроса которой ниже, чем у информации, находящейся в L1. Кэш-память третьего уровня (L3) – еще более объемная, но и более медленная схема памяти. Тем не менее, она значительно быстрее оперативной памяти. Ее размер может достигать нескольких десятков мегабайт. В отличие от L1 и L2, она является общей для всех ядер процессора.  Источникиhttp://on-line-teaching.com/bios/15_CPU.html http://prog-cpp.ru/asm-cpu/ https://compress.ru/article.aspx?id=23541 https://sites.google.com/site/gosyvmkss12/organizacia-evm-i-sistem/03-naznacenie-i-struktura-processora-naznacenie-i-vzaimodejstvie-osnovnyh-blokov-klassifikacia-processorov http://we-it.net/index.php/zhelezo/protsessory/146-kesh-pamyat-protsessora-urovni-i-printsipy-funktsionirovaniya |