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

Приведем пример: «По дороге идёт пешеход, у него скорость 4 км/ч. Это аналогично одноядерному процессору на N ГГц. А вот если по дороге идут 4 пешехода со скоростью 4 км/ч, то это аналогично 4-ядерному процессору на N ГГц. В случае с пешеходами мы не считаем, что их скорость будет равна 4х4 =16 км/ч, мы просто говорим: "4 пешехода идут со скоростью 4 км/ч". По этой же причине мы не производим никаких математических действий и с частотами ядер процессора, а просто помним, что 4-ядерный процессор на N ГГц обладает четырьмя ядрами, каждое из которых работает на частоте N ГГц».

То есть, по сути, частота процессора от количества ядер не изменяется, увеличивается лишь производительность процессора.

2.2. ПОНЯТИЕ ПРЕРЫВАНИЯ И ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПРЕРЫВАНИЙ

Прерывания представляют собой определенный механизм, который направлен на координацию параллельного функционирования ряда устройств компьютера, а также на получение обратной реакции в случае возникновения ряда непредвиденных ситуаций в работе процессора.

Прерывания были введены с целью реализации асинхронного режима работы, а также для распараллеливания работы отдельных устройств вычислительного комплекса.^[6]

Механизм прерываний реализуется аппаратно-программным способом. Прерывание всегда влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Система прерывания представляет собой эффективный способ реализации контрольных и управляющих функций операционной системы для поддержки заданных режимов работы ЭВМ, как аппаратно-программного комплекса.^[7]

Система прерывания появилась в процессорах ЭВМ второго поколения, которые использовались, в основном, в качестве программных устройств управления различными объектами.

Среди основных причин, поясняющих появление в системе прерываний, можно выделить:

- задача уменьшения простоя ЭВМ в случае возникновения определенных внештатных ситуаций в процессоре (так, например, к простейшей подобной ситуации можно отнести деление на ноль и прочее);

- задача, связанная с загрузкой процессора полезной работой в момент его работы в фоновом режиме.

Среди основных функций механизма прерываний можно выделить:

- процесс классификации прерываний;

- процесс передачи управлений на обработку прерываний;

- процесс корректного возвращения к прерванной программе.

В целом, прерывания классифицируются на:

- внешние (асинхронные);

- внутренние (синхронные).

Рассмотрим каждый вид более детально.

Внешние прерывания происходят независимо от прерываемого процесса. Это могут быть:

- прерывания от таймера;

- прерывания в результате работы какого-либо внешнего устройства;

- прерывания по нарушению питания;

- прерывания с пульта оператора вычислительной системы;

- прерывания, возникшие в результате работы иного процессора, либо иной вычислительной системы.

2. Внутренние прерывания происходят в результате стечения определенных событий, так или иначе, связанных с работой процессора. Эти события, в свою очередь, являются синхронными с его операциями. К таким событиям можно отнести:

- процесс нарушения адресации;

- переполнение или исчезновение порядка;

- ошибка отчетности и прочее.

Сами по себе программные прерывания происходят по соответствующей команде прерывания, то есть по этой команде процессор производит те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. ^[8]

Прерывания распределяются по уровню приоритета (от низкого к высокому):

- программные прерывания;

- прерывания от внешних устройств: терминалов;

- прерывания от внешних устройств: сетевого оборудования;

- прерывания от внешних устройств: магнитных дисков;

- прерывания от системного таймера;

- прерывания от средств контроля процессора.

Сам по себе процессор может быть защищен от прерываний благодаря:

- своевременному отключению системы прерываний;

- запрету на те или иные виды прерываний.

Следует отметить, что в обычной ситуации процесс прерывания происходит лишь после того, как была завершена текущая команда.

Говоря о сигналах прерывания, можно отметить, что они имеют свойство появляться в произвольные моменты времени. Так, например, в момент обработки может накопиться уже несколько сигналов. Каждому из них присваивается определенный приоритет, который, выстраивает очередь обработки.

Программное управление специальными регистрами маски (маскирование сигналов прерывания) позволяет реализовать различные дисциплины обслуживания:

- с относительными приоритетами, обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высоким приоритетом. В программе обслуживания данного запроса следует наложить маски на все остальные сигналы прерывания или просто отключить систему прерываний;

- с абсолютными приоритетами, обслуживается прерывание с наибольшим приоритетом. В программе обслуживания прерываний следует наложить маски на сигналы прерывания с более низким приоритетом. Возможно многоуровневое прерывание, то есть прерывание программы обработки прерывания, число уровней меняется и зависит от приоритета запроса;

- по принципу стека (последним пришел - первым обслужен), запросы с более низким приоритетом могут прервать обработку прерывания с более высоким приоритетом. В программе обслуживания прерываний не следует накладывать маски ни на один сигнал прерывания и отключать систему прерываний.

Управление ходом выполнения задач со стороны ОС заключается:

- в организации реакций на прерывание;

- в организации обмена информацией;

- в предоставлении необходимых ресурсов;

- в динамике выполнения задачи;

- в организации сервиса.

Причины прерываний определяет ОС (супервизор прерываний) и выполняет действия, необходимые при данном прерывании и в данной ситуации.

Супервизор прерываний выполняет следующие действия:

- сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерванной задачи;

- определяет программу, обслуживающую текущий запрос на прерывание;

- устанавливает необходимый режим обработки пребывания;

- передает управление подпрограмме обработки прерывания.

После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление передается супервизору в модуль управления диспетчеризацией задач

При появлении запроса на прерывание система прерываний идентифицирует сигнал и, если прерывание разрешено, управление передается на соответствующую подпрограмму обработки прерываний.^[9]

Подпрограмма обработки прерываний состоит их трех секций:

- отключение прерываний, сохранение контекста прерванной программы, установка режима работы системы прерываний;

- собственно тело программы обработки прерываний;

- восстановление контекста прерванной ранее программы, установка прежнего режима работы системы прерываний.

Поскольку эти действия необходимо выполнять практически в каждой подпрограмме обработки прерывания, во многих ОС первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в специальный системный модуль - супервизор прерываний.

2.3 АРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРА

К одному из наиболее значимых критериев, способных существенно увеличить производительность процессора, можно отнести наличие кэш-памяти. Последняя, в свою очередь, различается:

- по объему;

- по скорости доступа;

- по распределению по уровням.

Кэш-память представляет собой своего рода сверхбыструю память, которая используется процессором с целью временного хранения наиболее часто используемых данных.^[10]

Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов.^[11] Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Данный фактор объясняет причину того, что кэш-память, обладая совсем не значительными объемами, является достаточно дорогой. Основное преимущество кэш-памяти заключается в ее скорости. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры.

Рисунок 2. Схема процессора

На рисунке 2 представлена схема процессора. Здесь ключевыми компонентами выступают:

- арифметико-логическое устройство (АЛУ);

- регистры;

- устройство управления.

2.4 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОРОВ

На сегодняшний день компьютерные процессоры представлены в виде компактного модуля (размерами около 5Ч5Ч0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Огромнейшая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.^[12] Говоря о первых компьютерах, следует отметить, что на тот момент они представляли собой громоздкие агрегаты, занимавшие подчас целые шкафы и даже комнаты. Выполнены они были на большом количестве отдельных компонентов.

Начало 1970-х годов характеризуется созданием БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микросхем. Появилась возможность разместить все необходимые компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Появились так называемые микропроцессоры. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали еще, по крайней мере, 10-15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Надо сказать, что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.^[13]

Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 740 кГц и стоил 300 долл.

За годы существования технологии микропроцессоров было разработано множество различных их 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 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.^[14] Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC - архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

Большинство процессоров используемых в настоящее время являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и пр., как процессоры компании Intel.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM. Среди процессоров от Intel: 8086, i286 (в компьютерном сленге называется «двойка», «двушка»), i386 («тройка», «трёшка»), i486 («четвёрка»), Pentium («пень», «пенёк», «второй пень», «третий пень» и т. д. Наблюдается также возврат названий: Pentium III называют «тройкой», Pentium 4 - «четвёркой»), Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др. AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 - Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.).^[15]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа посвящена вопросу изучения архитектуры, функционирования и основных характеристик процессора компьютера.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить ряд задач:

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

В ходе исследования были выполнены все поставленные задачи.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Александров В.В., Сарычев В.А. Программируемые инфокоммуникационные технологии - Санкт-Петербург: МИР, 2008. – 76 с.
Безручко В. Т. Информатика курс лекций: Учебное пособие - М.: ИНФРА – М, 2013. – 109 с.
Белошапка В.К. О языках, моделях и информатике – М.: ИНФО, 1987. - 15 с.
Белявский О. В., Капилевич О. Л. Эффективная работа в сети Интернет (+ CD-ROM) - М.: Триумф, 2008. – с. 44.
Бешенков С.А., Гейн А.Г., Григорьев С.Г. Информатика и информационные технологии - Екатеринбург, Мир, 1995. 201 с.
Гаврилов М. В., Cпрожецкая Н. В. Информатика – М.: Гардарики, 2008. – 77 с.
Гершунский Б.С. Компьютеризация в сфере образования. Проблемы и перспективы - М.: Педагогика, 1987. 345 с.
Гриншкун В.В. Григорьев С.Г. Образовательные электронные издания и ресурсы. // Учебно-методическое пособие для студентов педагогических вузов и слушателей системы повышения квалификации работников образования – М.: МГПУ, 2006, 98 с.
Громов Г.Р. Национальные информационные ресурсы: проблемы промышленной эксплуатации. – М.: Наука, 1984. - 240 c.
Громов Г.Р. От гиперкниги к гипермозгу: информационные технологии эпохи Интернета. Эссе, диалоги, очерки – М.: Радио и связь, 2004. – 208 c.
Громов Г.Р. Очерки информационной технологии - М.: ИнфоАрт, 1992. – 34 с.
Дуванов А. Информатика без ЭВМ//Информатика и образование – М.: Мир, 1987. 53 с.
Дьяконов В.П. Новые информационные технологии – М., Солон-Пресс, 2005. – 13 с.
Макарова Н. В., Волков В. Б.Информатика: Учебник для вузов – СПб: Вестник, 2011. – 33 с.
Могилев А. В., Листрова Л. В.Информация и информационные процессы. Социальная информатика: – М.: БХВ-Петербург, 2009. – 57 с.