Характеристика сучасних мікропроцесорів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КАФЕДРА ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

РЕФЕРАТ

ХАРАКТЕРИСТИКА СУЧАСНОГО МІКРОПРОЦЕСОРА

ВИКОНАЛА:

ПІМОРЕНКО АНАСТАСІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА

ЗАПОРІЖЖЯ, 2014 РІК

Вступ

Обчислювальна техніка пройшла ті ж етапи еволюції, які пройшли і всі інші технічні пристрої від ручних пристосувань до механічних пристроїв і далі до гнучких автоматичних систем.

За двадцять років розвитку персональні комп'ютери перетворилися на потужні високопродуктивні пристрої з обробки різних видів інформації, які якісно розширили сферу застосування обчислювальних машин. Сучасні персональні комп'ютери мають практично ті ж характеристики, що й мінікомп'ютери 1980-х років. Потужність мікрокомп'ютера дозволяє його використовувати в якості сервера для організації роботи багатьох персональних комп'ютерів в мережі.

Після того як комп'ютерні системи широко почали використовуватися в промислових цілях, знадобилося менше людей для виробництва, а також збільшилася швидкість і обсяги виробленої продукції.

Для роботи в тій чи іншій галузі створені спеціальні програми. Також можна відзначити широкі можливості комп'ютера, величезну пам'ять і швидкість обробки інформації.

1. Загальна характеристика

Мікропроцесор (англ. microprocessor) - інтегральна схема, яка виконує функції центрального процесора (ЦП) або спеціалізованого процесора. Сьогодні слово мікропроцесор є практично повним синонімом слова процесор, оскільки функціональний блок, що на ранніх стадіях розвитку обчислювальної техніки займали цілу плату чи навіть шафу, тепер вміщається в одну невеличку інтегральну схему із сотнями мільйонів транзисторів всередині.

Внутрішні осередки процесора називають регістрами. Дані, що потрапили до деяких регістри, розглядаються не як дані, а як команди, управляючі обробкою даних з інших регістрів.

Серед регістрів процесора є й такі, які залежно від свого змісту здатні модифікувати виконання команд.

Таким чином, керуючи засиланням даних в різні регістри процесора можна управляти обробкою даних.

Для мікропроцесора характерні:

- простота виробництва (за єдиною технологією);

- низька вартість;

- малі габарити (пластина, площею кілька см., або кубик із стороною кілька мм.);

- висока надійність;

- мале споживання енергії.

2. Історія виникнення мікропроцесорів

Перша мікросхема успішно запрацювала 12 вересня 1958 року в компанії Texas Instruments. У 2000 році Нобелівську премію з фізики присудили Джеку Кілбі - за винахід інтегральної мікросхеми.

Ще одним творцем інтегральної мікросхеми вважається Роберт Нойс, померлий в 1990 році (за правилами, Нобелівська вручається тільки живим вченим). Фізики як такої при створенні мікросхеми було небагато, але Килбі і Нойс «всього лише» придумали технологію, яка зробила переворот в електронній промисловості.

Перші мікропроцесори з'явилися на початку 1970-х і використовувалися в електронних калькуляторах для обробки 4-бітних слів, що являли десяткові цифри в двійковому представленні.

Досить скоро з'явилися інші вбудовані реалізації, такі як термінали, принтери, автоматичні прилади тощо, що використовували 4-бітні і 8-бітні мікропроцесори.

Поява 8-бітних процесорів з 16-бітною адресацією в середині 1970-х забезпечила достатній простір можливостей для реалізації перших мікропроцесорів загального призначення в мікрокомп'ютерах.

Довгий час процесори складалися з малих і середніх інтегральних схем, що містили в собі еквівалент від кількох до кількасот транзисторів. Інтеграція цілого центрального процесора в один чип значно зменшила вартість процесорної потужності.

Послідовне впровадження мікросхем з більшим ступенем інтеграції робило цілі класи комп'ютерів застарілими, мікропроцесори з'явилися в широкому класі пристроїв, від малих вбудованих систем і ручних комп'ютерів до найбільших мейнфреймів і суперкомп'ютерів.

Починаючи з 1970-х збільшення процесорної потужності розвивається за правилами так званого закону Мура, який стверджує, що складність інтегральних мікросхем подвоюється кожні 18 місяців, за ті ж мінімальні гроші. В кінці 1990-х основним стримуючим фактором розвитку стало розсіювань мікропроцесором тепло.

Першим загальнодоступним мікропроцесором був 4-розрядний Intel 4004. Його змінили 8-розрядні Intel 8080 і 16-розрядний 8086, що заклали основи архітектури всіх сучасних настільних процесорів. Але внаслідок поширеності 8-розрядних модулів пам'яті був випущений 8088, клон 8086 з 8-розрядною шиною пам'яті. Потім пройшла його модифікація 80186. У процесорі 80286 з'явився захищений режим з 24-бітовою адресацією, що дозволяв використовувати до 16 МБ пам'яті. Процесор Intel 80386 з'явився в 1985 році і привніс покращений захищений режим, 32-бітову адресацію, що дозволила використовувати до 4 ГБ оперативної пам'яті і підтримку механізму віртуальної пам'яті.

3. Структура мікропроцесора

Мікропроцесор виконує функції обробки інформації та управління роботою всіх блоків ПК.

Зазвичай структура мікропроцесора являє собою одну або декілька великих інтегральних схем (ВІС). Вона може складатися з окремих блоків (секцій), а може бути розміщена на одному чіпі (кристалі). Секційна структура дозволяє збільшити розрядність і ємність запам'ятовуючого пристрою, однак при цьому збільшується кількість блоків, що змінює габарити, потужність і енергоспоживання процесора.

Одно кристальний мікропроцесор має постійної розрядністю і виконує набір команд, що зберігаються в його пам'яті. Відмінною особливістю даного мікропроцесора є наявність загальної шини, по якій організовується прийом, передача даних і здійснюється взаємодія між внутрішніми блоками і зовнішніми пристроями.

До складу мікропроцесора входять:

- пристрій керування;

- арифметико-логічний пристрій;

- внутрішня реєстрова пам'ять;

- КЕШ-пам'ять;

- схема формування дійсних адрес операндів для звернення до оперативної пам'яті;

- схеми управління системною шиною та ін.

4. Пристрій керування

Пристрій управління є функціонально найбільш складним пристроєм ПК. Воно виробляє керуючі сигнали, що надходять по кодовою шинам інструкцій у всьому блоці машини.

Пристрій управління формує керуючі сигнали для виконання наступних процедур:

- вибірки з регістра лічильника адреси операндів, команди мікропроцесорної пам'яті, адреси комірки ОЗУ, де зберігається чергова команда програми;

- вибірки з осередків ОЗУ коду чергової команди і прийому ліченої команди в регістр команд;

- розшифровки коду операції і ознак вибраної команди, зчитування з відповідних розшифрувати коду операції осередків ПЗУ мікропрограм керуючих сигналів (імпульсів), що визначають у всіх блоках машини процедури виконання заданої операції, і пересилання керуючих сигналів в ці блоки;

- зчитування з регістра команд і регістрів мікропроцесорної пам'яті окремих складових адрес операндів (чисел), що беруть участь в обчисленнях і формуванні повних адрес операндів;

- вибірки операндів (по сформованих адресах) і виконання заданої операції обробки цих операндів;

- записи результатів операції в пам'ять;

- формування адреси наступної команди програми.

5. Аримфетико-логічний пристрій

Арифметико-логічний пристрій призначений для виконання арифметичних і логічних операцій, перетворення інформації. Функціонально АЛП складається з 2х регістрів, суматора і схем управління (місцеве пристрій управління). Суматор - обчислювальна схема, що виконує процедуру складання надходять на її вхід двійкових кодів.

Суматор має розрядність подвійного машинного слова. Регістри - бистродействующіе комірки пам'яті різної довжини:

- регістр 1 (Pr1) має розрядність подвійного слова;

- а регістр 2 (Pr2) - розрядної слова при виконанні операції;

- в Pr1 поміщається перше число, яка бере участь в операції, а по завершенні операції - результат;

- в Pr2 - друге число, що бере участь в операції (по завершенні операції інформація в ньому не змінюється).

Регістр 1 може і приймати інформацію з кодових шин даних і видавати інформацію на них, регістр 2 тільки отримує інформацію з цих шин. Схеми управління приймають по кодовою шинам інструкцій керуючі сигнали від пристрою управління і перетворять їх в сигнали для керування роботою регістрів і суматора арифметико-логічного пристрою.

Арифметико-логічний пристрій виконує арифметичні операції (+, -, *,:) тільки над двійковою інформацією з комою, фіксованою після останнього розряду, тобто тільки над цілими числами. Виконання операцій над двійковими числами з плаваючою комою і над двійковій-кодованими десятковими числами здійснюється або із залученням математичного співпроцесора, або за спеціально складеним програмам.

6. Мікропроцесорна пам'ять

Мікропроцесорна пам'ять - пам'ять невеликої ємності, але надзвичайно високої швидкодії (час звернення до МПП, тобто час, необхідний на пошук або зчитування інформації з цієї пам'яті, вимірюється секундами тисячною частками мікросекунди). Вона призначена для короткочасного зберігання, запису та видачі інформації, безпосередньо в найближчі такти роботи машини, що бере участь в обчисленнях. Внутрішня пам'ять мікропроцесора складається з швидкодіючих регістрів з розрядністю не менше машинного слова. Кількість і розрядність регістрів у різних мікропроцесорах різні: від 14 двох байтів регістрів у МП 8086 до декількох десятків регістрів різної довжини у МП Pentium. Регістри МПП поділяються на регістри загального призначення і спеціальні. Спеціальні регістри застосовуються для зберігання різних адрес, результатів виконання операцій і режимів роботи ПК та ін.

Регістри загального призначення є універсальними і можуть використовуватися для зберігання будь-якої інформації, але деякі з них теж повинні бути обов'язково задіяні при виконанні ряду процедур.

7. Кеш-пам'ять

Крім внутрішньої реєстрової пам'яті в мікропроцесорі може бути своя вбудована КЕШ-пам'ять.

Реєстрова Кеш-пам'ять високошвидкісна пам'ять порівняно невеликої ємності, що є буфером між оперативною пам'яттю і пам'яттю мікропроцесора і дозволяє збільшити швидкість виконання операцій. Регістри КЕШ-пам'яті не доступні для користувача, звідси і назва КЕШ (Cache), в перекладі з англійської означає «тайник».

У КЕШ-пам'яті зберігаються дані, які мікропроцесор отримав і буде використовувати в найближчі такти своєї роботи.

Швидкий доступ до цих даних і дозволяє скоротити час виконання чергових команд програми. При виконанні команди програми дані з невеликим випередженням записуються в КЕШ-пам'ять. За принципом запису результатів розрізняють 2 типи КЕШ-пам'яті:

1. Кеш-пам'ять «зі зворотним записом» - результати операцій перш, ніж їх записати в оперативну пам'ять, фіксуються в КЕШ-пам'яті, а потім контролер КЕШ-пам'яті самостійно перезаписує ці дані в оперативну пам'ять;

2. Кеш-пам'ять «з наскрізною записом» - результати операцій паралельно записуються і в КЕШ-пам'ять і в оперативну пам'ять.

Мікропроцесори, починаючи від МП80486, мають вбудовану Кеш-пам'ять (1-го рівня), ніж зокрема і обумовлюється їх висока продуктивність. Мікропроцесори Pentium і Pentium Pro мають Кеш-пам'ять окремо для даних і окремо для команд, причому якщо у Pentium ємність цієї пам'яті не велика (8 Кбайт), то у Pentium Pro вона досягає 256-512 Кбайт. Для всіх мікропроцесорів може використовуватися додаткова Кеш-пам'ять (2-го рівня), що розміщується на материнській платі поза мікропроцесора, ємність якої може досягати декількох мегабайт.

8. Інтерфейсна частина мікропроцесора

Інтерфейсна частина мікропроцесора призначена для зв'язку й узгодження мікропроцесора з системною шиною ПК, а також для прийому, попереднього аналізу команд виконаної програми і формування повних адрес операндів і команд.

Інтерфейсна частина включає до свого складу адресні регістри МПП. Вузол формування адреси, блок регістрів команд, що є буфером команд в мікропроцесорі, внутрішню інтерфейсну шину мікропроцесора і схеми управління шиною і портами введення-виведення.

Порти введення-виведення - це пункти системного інтерфейсу ПК, через які мікропроцесор обмінюється інформацією з іншими пристроями. Всього портів у мікропроцесора може бути 65536.

Кожен порт має адресу - номер порту, відповідний адресою комірки пам'яті, що є частиною пристрої введення-виведення, що використовує цей порт, а не частиною основної пам'яті комп'ютера.

Порт пристрої містить апаратуру сполучення і 2 регістру пам'яті - для обміну даними та обміну керуючою інформацією. Деякі зовнішні пристрої використовують і основну пам'ять для зберігання великих обсягів інформації, що підлягає обміну. Багато стандартні пристрої мають постійно закріплені за ними порти введення-виведення.

Схема управління шиною і портами виконує наступні функції:

- Формування адреси порту і керуючою інформацією для нього (перемикання порту на прийом або передачу та ін.);

- Прийом керуючою інформацією від порту, інформації про готовність порту і його стан;

- Організацію наскрізного каналу в системному інтерфейсі для передачі даних між портом пристрої введення-виведення і мікропроцесором.

Схема управління шиною і портами використовує для зв'язку з портами кодові шини інструкцій, адреси і даних системної шини. При доступі до порту мікропроцесор посилає сигнал по кодової шині інструкцій, яка сповіщає всі пристрої введення-виведення, що адреса на кодової шині адреси є адресою порту, а потім посилає і сама адреса порту.

Те пристрій, адреса порту якого збігається, дає відповідь про готовність, після чого по кодової шині даних здійснюється обмін даними.

9. Типи мікропроцесорів

При оцінці параметрів мікропроцесора і виборі мікропроцесорної серії велику роль відіграє розрядність приладу, яка задає елементарний об'єм оброблюваних даних. Чим більше розрядність, тим вища продуктивність і ширше можливості адресації.

У ранніх приладах розрядність регістрів, шин управління, а також інформаційних шин майже завжди була однаковою.

Зараз існує безліч архітектур процесорів, які діляться на дві глобальні категорії -RISC і CISC. RISC (Reduced Instruction Set Computer).

Процесор із скороченою системою команд. Вони зазвичай мають набір однорідних регістрів універсального призначення, причому їх число може бути більшим.

Система команд відрізняється відносною простотою, коди інструкцій мають чітку структуру з фіксованою довжиною.

В результаті апаратна реалізація такої архітектури дозволяє з невеликими витратами декодувати і виконувати ці інструкції за мінімальний (у межі 1) число тактів синхронізації.

Певні переваги дає уніфікація регістрів. CISC (Complete Instruction Set Computer) - процесори з повним набором інструкцій.

Склад і призначення їх регістрів неоднорідні, широкий набір команд ускладнює декодування інструкцій, на що витрачаються апаратні ресурси. Зростає число тактів, необхідне для виконання інструкцій.

Висновок

Персональний комп'ютер це загальнодоступний і універсальний інструмент, багаторазово підвищує продуктивність інтелектуальної праці фахівців різного профілю. мікрокомп'ютер інтерфейс процесор

Він призначений для автономної роботи в діалоговому режимі з користувачем. Загальнодоступність визначається порівняно низькою вартістю, компактністю, відсутністю спеціальних вимог як до умов експлуатації, так і ступеня підготовленості користувача.

Використана література

1. Інформатика для юристів та економістів, Симонович та ін. - СПб.: Питер, 2006. - 316 с.

2. Інформатика: Підручник для вузів / В.А. Острейковскій -е изд., Стер-М.: Вища. Шк., 2004. - 288 с.

3. Інформатика для ВУЗов: навчальний посібник / П.П. Беленькій. - М.: КНОРУС, 2005. - 160 с.

4. Касылкасова С.Л. Основы информатизации учебного процесса (Электронный ресурс).

Размещено на Allbest.ru