Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора.(ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА).pdf

На сегодняшний день, употребляя понятие «процессор персонального компьютера», представляется основная интеллектуальная составляющая всего компьютера. На деле, процессор представляет собой крошечный чип, который, так или иначе, напрямую связан с материнской платой и большим вентилятором (кулером), подключенным непосредственно к нему. При отсутствии вентилятора жизнеспособность процессора была бы значительно короче.

Литература дает следующее определение понятию «процессор» - устройство, способное обрабатывать программный код и определяющее основные функции компьютера по обработке информации.^[1]

В настоящее время микропроцессоры и процессоры способны вместить в себя миллионы транзисторов и других элементов электронной логики. Они представляют собой сложнейшие высокотехнологичные электронные устройства. Говоря о персональном компьютере, следует отметить, что он содержит довольно много различных процессоров. Они могут входить в состав систем ввода/вывода контроллеров устройств. На основе архитектуры центральных процессоров строится архитектура материнских плат и проектируется архитектура и конструкция компьютера.^[2]

Актуальность данной работы определена тем, что компьютер прочно вошел в жизнь человека, но, к сожалению, подавляющее большинство людей не представляет себе устройство данного компьютера и его сущность.

Объект исследования: понятие и сущность процессора.

Предмет исследования: современные модели процессов различных компаний производителей.

Целью данной работы является изучение архитектуры, функционирования и основных характеристик процессора компьютера.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, в числе которых:

Провести анализ исторической составляющей.
Провести анализ основных характеристик процессора.
Рассмотреть архитектуру процессора.
Проанализировать технологию изготовления процессоров.

1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Процесс развития производства процессоров достаточно схож с историей развития технологии производства иных электронных компонентов и схем.

На самом раннем этапе термин «Центральное процессорное устройство» представлял собой определенного рода класс логических машин, которые, так или иначе, были ориентированы на выполнение сложных компьютерных программ.^[3]

Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Эволюцию создания процессора можно разделить на несколько основополагающих этапов:

Период с 40-х по конец 50-х годов – 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 была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.
С середины 50-х до середины 60-х - внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.
Середина 60-х годов - 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, позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора:

- микропрограммное устройство;

- арифметико-логическое устройство;

- регистры;

- устройства работы с шинами данных и команд.

4. Начало 70-х годов – создание БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-х разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только мелкосерийные процессоры, аппаратно-оптимизированные для решения специальных задач (например суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции. Надо сказать, что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004, представленный 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц и стоил 300 долл. Далее 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 памяти. 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. Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель. За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, резвившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную x86-64 (которая у Intel называется EM64T).

Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений. Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC-архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура). В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.

2. ПРОЦЕССОРЫ ПК

2.1 ПОНЯТИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРА

На сегодняшний день компьютеры очень плотно проникли в жизнь людей. Можно сказать, что даже дети имеют представление о том, что же такое процессор.

Итак, процессор представляет собой определенный электронный блок (либо интегральную схему, микропроцессор), которая исполняет ряд машинных инструкций (код программ).^[4] Процессор является главной частью аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

Имея представления о ряде наиболее важных характеристик процессора, можно провести анализ его функционирования в целом и выявить вычислительную производительность компьютерной системы.

Для начала проанализируем многоядерность процессоров (рисунок 1).

Рисунок 1. Архитектура двухъядерного процессора

Изначально вопрос повышения производительности процессоров был направлен на наращивание тактовой частоты. Со временем, наращивать ее становилось все тяжелее. Именно поэтому разработчики приняли решение увеличивать количество ядер процессора.

Несколько лет назад речи о том, чтобы увеличить ядерность процессоров не велось совершенно. Появление первого двухъядерного процессора для настольных компьютеров состоялось лишь в 2005 года (Pentium D). В 2005 году был выпущен двухъядерный процессор Opteron от AMD, но для серверных систем.

Производительность процессора увеличивается за счет нескольких ядер в связи с тем, что происходит своего рода разбиение задач. Другими словами, каждый процесс, запущенный в операционной системе, имеет несколько потоков.

Виртуально операционная система имеет возможность создавать для себя большое потоков и при этом выполнять их одновременно. Этот принцип как раз характеризуется многозадачностью системы.

Так, например, можно рассмотреть антивирусную защиту. Первый поток выполняет сканирование в целом компьютера, второй производит обновление антивирусной базы. Что же происходит?

Если процессор одноядерный, то выполнение двух потоков одновременно создают необходимость визуального отображения этой одновременности для пользователя.
Если процессор многоядерный – система, в свою очередь, четко направит каждый поток на отдельное ядро. Это позволит избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток.

Несмотря на то, что техпроцесс напрямую не влияет на производительность процессора, он все равно упоминается как характеристика процессора, так как именно техпроцесс влияет на увеличение производительности процессора, за счет конструктивных изменений. Необходимо отметить, что техпроцесс, является общим понятием, как для центральных процессоров, так и для графических процессоров, которые используются в видеокартах.

Основным элементом в процессорах являются транзисторы - миллионы и миллиарды транзисторов. Из этого и вытекает принцип работы процессора. Транзистор, может, как пропускать, так и блокировать электрический ток, что дает возможность логическим схемам работать в двух состояниях - включения и выключения, то есть во всем хорошо известной двоичной системе (0 и 1).

Техпроцесс - это, по сути, размер транзисторов. А основа производительности процессора заключается именно в транзисторах. Соответственно, чем размер транзисторов меньше, тем их больше можно разместить на кристалле процессора.

Новые процессоры Intel выполнены по техпроцессу 22 нм. Нанометр (нм) - это 10 в -9 степени метра, что является одной миллиардной частью метра. Чтобы лучше представить насколько это миниатюрные транзисторы, можно привести один интересный научный факт: « На площади среза человеческого волоса, с помощью усилий современной техники, можно разместить 2000 транзисторных затворов»

Если брать во внимание современные процессоры, то количество транзисторов, там уже давно переходит за 1 млрд.

Ну а техпроцесс у первых моделей начинался не с нанометров, а с более объёмных величин.

Частота процессора.

Если рассматривать специфические характеристики процессоров, то тактовая частота является наиболее известным параметром. Достаточно продолжительное время разработчики делали ставки именно на повышение тактовой частоты, но со временем, "мода" поменялась, и большинство разработок уходят на создание более совершенной архитектуры, увеличения кэш-памяти и развития многоядерности, но и про частоту никто не забывает.

Для начала нужно разобраться с определением «тактовая частота». Тактовая частота показывает нам, сколько процессор может произвести вычислений в единицу времени. Соответственно, чем больше частота, тем больше операций в единицу времени может выполнить процессор. Тактовая частота современных процессоров, в основном, составляет 1,0-4ГГц.^[5] Она определяется умножением внешней или базовой частоты, на определённый коэффициент. Например, процессор Intel Core i7 920 использует частоту шины 133 МГц и множитель 20, в результате чего тактовая частота равна 2660 МГц.

Частоту процессора можно увеличить в домашних условиях, с помощью разгона процессора. Существуют специальные модели процессоров от AMD и Intel, которые ориентированы на разгон самим производителем, к примеру, Black Edition у AMD и линейки К-серии у Intel.

Сейчас, почти во всех сегментах рынка уже не осталось одноядерных процессоров. Ну оно и логично, ведь IT-индустрия не стоит на месте, а постоянно движется вперёд семимильными шагами. Поэтому нужно чётко уяснить, каким образом рассчитывается частота у процессоров, которые имеют два ядра и более.

Существует распространенное заблуждение насчёт понимания (высчитывания) частот многоядерных процессоров. Сразу же можно привести пример этого неправильного рассуждения: «Имеется 4-х ядерный процессор с тактовой частотой 3 ГГц, поэтому его суммарная тактовая частота будет равна: 4 х 3ГГц=12 ГГц, ведь так?»- Нет, не так.