Электронный блок либо интегральная схема исполняющая машинные инструкции главная часть аппаратного

Микропроцессор

• Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например, терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годов создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем большой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверхбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

В космических программах полётов к Луне «Аполлон» в 1960-х и 1970-х годах все бортовые вычисления для первичного наведения, навигации и управления были предоставлены небольшими специализированными процессорами бортового компьютера Аполлон.

С начала 1970-х годов широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP).

Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками, так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие, как Pentium II, были реализованы на нескольких микросхемах).

В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны.

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

AMP или ASMP (от англ.: Asymmetric multiprocessing, рус.: Асимметричная многопроцессорная обработка или Асимметричное мультипроцессирование) — тип многопроцессорной обработки, который использовался до того, как была создана технология симметричного мультипроцессирования (SMP); также использовался как более дешевая альтернатива в системах, которые поддерживали SMP.

Интегра́льная (микро)схе́ма (ИС, ИМС, IC (англ.)), микросхе́ма, м/сх, чип (англ. chip «тонкая пластинка»: первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент (интегральная микросхема), используемый для создания конфигурируемых цифровых электронных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программатор и IDE (отладочная среда), позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в.

Однокристальные микроконтроллеры — функционально законченный МПК (микропроцессорный комплект), реализованный в виде одной СБИС (сверх-БИС). ОМК включает процессор, ОЗУ, ПЗУ, порты ввода-вывода для подключения внешних устройств, модули ввода аналогового сигнала АЦП, таймеры, контроллеры прерывания, контроллеры различных интерфейсов и т. д.

Источник статьи: http://kartaslov.ru/%D0%BA%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B0-%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B9/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE%D1%80

Электронный блок либо микросхема — исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

МЕЖДУНАРОДНАЯ АКАДЕМИЯ БИЗНЕСА

Кафедра «Информационные технологии»

Уверждено на заседании

кафедры Информационных технологий

от «09» ноября 2011 г. Протокол № 2

Зав. кафедрой ___________Е.Т. Рамазанов

Экзаменационные вопросы

(для студентов специальности 5В070300 Информационные системы)

АЛМАТЫ 2011

1. Какие операции можно проделать над информацией?

Хранить, передать и обработать.

1. В каких областях человеческой деятельности приходится обрабатывать информацию?

2 — Во всех областях человеческой деятельности приходится обрабатывать информацию. Однако человек сам не может обработать огромное количество информации.

1. Как называют информацию, отражающую истинное положение дел?

Достоверной

1. Что значить термин «интерфейс пользователя»?

Разновидность интерфейсов, в котором одна сторона представлена человеком (пользователем), другая — машиной/устройством

1. Какая система является простейшей операционной системой для IBM-совместимых персональных компьютеров?

MS-DOS

Единица хранения и обработки цифровой информации.

1. Чему равен Один байт информации?

Бит

1. Сколько достаточно иметь разрядов двоичного кода для кодирования целых чисел от 0 до 256?

Достаточно иметь 8 разрядов двоичного кода (8 бит)

1. Сколько различных символов можно закодировать с помощью двоичных слов, состоящих из восьми символов?

9 – 256

1. Минимальная информационная единица?

Бит

1. Чему равен Один килобайт информации?

Байт

1. Максимальное число, в котором заключено не более восьми битов информации?

В 8 степени, 255

1. Чему равен Один мегабайт информации ?

Кбайта

1. Чему равен Один гигабайт информации ?

Мбайта

1. Что называется Длиной кода ?

Длиной кода называется такое количество знаков, которое используется при кодировании.

1. Как представляется информация в ПК?

В двоичной форме.

1. Что такое Система счисления ?

Символический метод записи чисел, представление чисел с помощью письменных знаков.

1. В зависимости от способа изображения чисел системы счисления делятся на?

Позиционные и непозиционные.

1. Что понимают под основанием системы счисления?

Называется совокупность приемов обозначения чисел — язык, алфавитом которого являются символы (цифры), а синтаксисом — правило, позволяющее сформулировать запись чисел однозначно.

1. Дан список систем счисления: двоичная, десятичная, восьмеричная, шестнадцатеричная. Запись числа 100 набором символов?

По моему отсутствует в двоичной, но я могу ошибаться

1. Как записывается Десятичное число 2 в двоичной системе счисления?

21 — 0000 0001

Г. Лейбницу

1. Первый арифмометр, выполнявший четыре арифметических дей­ствия, сконструировал в XVII веке Кем?:

Готфрид Вильгельм Лейбниц.

1. Что является элементной базой ЭВМ второго поколения являются?

Полупроводники

1. Что является элементной базой ЭВМ четвертого поколения являются?

СБИС

1. Чем известен Дж. Фон Нейман?

Праотец современной архитектуры компьютеров, применением теории операторов к квантовой механике, а также как участник Манхэттенского проекта и как создатель теории игр и концепции клеточных автоматов.

1. Для чего предназначен процессор компьютера ?

Предназначен для вычисления и обработки информации.

1. Для чего внешняя память компьютера ?

Предназначена для длительного хранения программ и данных.

1. Какое устройство, предназначенное для вычисления и обработки информации?

Процессор

1. Основная характеристика процессора – это?

электронный блок либо микросхема — исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

1. Что является важнейшей характеристикой основной памяти ?

Источник статьи: http://studopedia.ru/19_404559_elektronniy-blok-libo-mikroshema—ispolnitel-mashinnih-instruktsiy-koda-programm-glavnaya-chast-apparatnogo-obespecheniya-kompyutera-ili-programmiruemogo-logicheskogo-kontrollera.html

Центральный процессор электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции, главная часть аппаратного обеспечения компьютера. — презентация

Презентация была опубликована 5 лет назад пользователемОлег Жадовский

Похожие презентации

Презентация на тему: » Центральный процессор электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции, главная часть аппаратного обеспечения компьютера.» — Транскрипт:

2 Центральный процессор электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции, главная часть аппаратного обеспечения компьютера.

3 Математический сопроцессор сопроцессор для расширения командного множества центрального процессора и обеспечивающий его функциональностью модуля операций с плавающей запятой, для процессоров, не имеющих интегрированного модуля

4 Материнская плата сложная многослойная печатная плата, являющаяся основой построения вычислительной системы компьютера.

5 Компьютерный блок питания вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией постоянного тока, путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений.

6 Система охлаждения компьютера набор средств для отвода тепла от нагревающихся в процессе работы компьютерных компонентов

7 Видеокарта устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора.

8 Звуковая карта дополнительное оборудование персонального компьютера, позволяющее обрабатывать звук

9 BIOS («базовая система ввода-вывода»), также БСВВ, реализованная в виде микропрограмм часть системного программного обеспечения, которая предназначается для предоставления операционной системе API-доступа к аппаратуре компьютера и подключенным к нему устройствам

11 Сетевая плата дополнительное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети

12 Модем (модулятор и демодулятор) устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации.

14 энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные

15 Накопитель на жёстких магнитных дисках -«винчестер» запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи

16 Дискета — сменный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных. Представляет собой помещённый в защитный пластиковый корпус диск, покрытый ферромагнитным слоем

17 Флеш-память разновидность полупроводниковой технологии электрически пере программируемой памяти (EEPROM). В быту это слово- сочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

18 собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения

19 Стример, также ленточный накопитель запоминающее устройство на принципе магнитной записи на ленточном носителе, с последовательным доступом к данным, по принципу действия аналогичен бытовому магнитофону.

21 Источник бесперебойного питания, автоматическое электронное устройство с аккумуляторной батареей, предназначенное для бесперебойного кратко- временного снабжения электрической энергией компьютера и его компонентов с целью корректного завершения работы и сохранения данных в случае резкого падения или отсутствия входного питающего напряжения системы.

Источник статьи: http://www.myshared.ru/slide/1130116/

ⓘ Центральный процессор — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции, главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программ ..

Apple A12Z

Apple A12Z — 64-битный 8-ядерный ARM-микропроцессор, разработанный Apple. Чип был представлен 18 марта 2020 года как часть пресс-релиза о новом iPad Pro 2020 — первом устройстве, использовавшем его. Представители Apple говорили, что процессор работает быстрей большинства Windows-ноутбуков на тот момент. Во встроенном графическом чипе процессора установлено 8 ядер, на одно больше, чем в его предшественнике, что позволяет заниматься 4K-монтажом и рендерингом, а также пользоваться технологиями дополненной реальности. В процессоре также переконфигурированы контроллеры производительности и улуч .

ⓘ Центральный процессор

Центральный процессор — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции, главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. 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.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве для микропроцессоров, и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных и даже единственных в своём роде компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и мини-компьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где, помимо вычислительного устройства, на кристалле расположены дополнительные компоненты. Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

1. История

История 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. Отличительными особенностями были низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платы, устанавливавшиеся в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержавшие 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, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии, 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-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, 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.

Переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые 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 долларов.

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 данных.

Затем последовала 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, 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 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 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.

2. Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основано на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого Джоном фон Нейманом.

Дж. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов.

Этапы цикла выполнения:

• Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных и сообщает о готовности.
• Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу в предположении, что длина каждой команды равна единице число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды.
• Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду машинную инструкцию из своей системы команд и исполняет её.
• Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом откуда и произошло название устройства.

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

2.1. Архитектура фон Неймана Конвейерная архитектура

Конвейерная архитектура англ. pipelining была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

• выполнение арифметических операций,
• сохранение результата операции.
• получение и декодирование инструкции,
• адресация и выборка операнда из ОЗУ,

После освобождения k <\displaystyle k>-й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n <\displaystyle n>ступеней займёт n <\displaystyle n>единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n <\displaystyle n>единиц времени так как для выполнения команды по-прежнему необходимо выполнять выборку, дешифровку и т. д., и для исполнения m <\displaystyle m>команд понадобится n ⋅ m <\displaystyle n\cdot m>единиц времени; при использовании конвейера в самом оптимистичном случае для выполнения m <\displaystyle m>команд понадобится всего лишь n + m <\displaystyle n+m>единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

• Простой конвейера, когда некоторые ступени не используются.
• Очистка конвейера при попадании в него команды перехода эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов.
• Ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд — out-of-order execution.

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что повышает производительность процессора, но, однако, приводит к увеличению длительности простоя например, в случае ошибки в предсказании условного перехода. Не существует единого мнения по поводу оптимальной длины конвейера: различные программы могут иметь существенно различные требования.

2.2. Архитектура фон Неймана Суперскалярная архитектура

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора путём увеличения числа исполнительных устройств. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности, в то же время существует определенный предел роста числа исполнительных устройств, при превышении которого производительность практически перестает расти, а исполнительные устройства простаивают. Частичным решением этой проблемы является, например, технология Hyper-threading.

2.3. Архитектура фон Неймана CISC-процессоры

Complex instruction set computer — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC являются микропроцессоры семейства x86 хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд: в начале процесса исполнения сложные команды разбиваются на более простые микрооперации МОП, исполняемые RISC-ядром).

2.4. Архитектура фон Неймана RISC-процессоры

Reduced instruction set computer — вычисления с упрощённым набором команд в литературе слово reduced нередко ошибочно переводят как «сокращённый». Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд, характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном David Patterson.

Упрощение набора команд призвано сократить конвейер, что позволяет избежать задержек на операциях условных и безусловных переходов. Однородный набор регистров упрощает работу компилятора при оптимизации исполняемого программного кода. Кроме того, RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением.

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

2.5. Архитектура фон Неймана MISC-процессоры

Minimum instruction set computer — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и обогнал многие CISC-процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд примерно 20 — 30 команд.

2.6. Архитектура фон Неймана VLIW-процессоры

Very long instruction word — сверхдлинное командное слово. Архитектура процессоров с явно выраженным параллелизмом вычислений, заложенным в систему команд процессора. Являются основой для архитектуры EPIC. Ключевым отличием от суперскалярных CISC-процессоров является то, что для них загрузкой исполнительных устройств занимается часть процессора планировщик, на что отводится достаточно малое время, в то время как загрузкой вычислительных устройств для VLIW-процессора занимается компилятор, на что отводится существенно больше времени.

Например, Intel Itanium, Transmeta Crusoe, Efficeon и Эльбрус.

2.7. Архитектура фон Неймана Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе на одном или нескольких кристаллах.

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Первым многоядерным микропроцессором стал POWER4 от IBM, появившийся в 2001 году и имевший два ядра.

В октябре 2004 года Sun Microsystems выпустила двухъядерный процессор UltraSPARC IV, который состоял из двух модифицированных ядер UltraSPARC III. В начале 2005 был создан двухъядерный UltraSPARC IV+.

9 мая 2005 года AMD представила первый двухъядерный процессор на одном кристалле для пользовательских ПК — Athlon 64 X2 с ядром Manchester. Поставки новых процессоров официально начались 1 июня 2005 года.

14 ноября 2005 года Sun выпустила восьмиядерный UltraSPARC T1, каждое ядро которого выполняло 4 потока.

5 января 2006 года Intel представила первый двухъядерный процессор на одном кристалле Core Duo, для мобильной платформы.

В ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield 45 нм, архитектурно схожем с Kentsfield, но имеющем больший объём кэша и рабочие частоты.

В октябре 2007 года в продаже появились восьмиядерные UltraSPARC T2, каждое ядро выполняло 8 потоков.

10 сентября 2007 года были выпущены в продажу настоящие в виде одного кристалла четырёхъядерные процессоры для серверов AMD Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona. 19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхъядерный процессор для домашних компьютеров AMD Phenom. Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L K10.

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырёхъядерные процессоры единым кристаллом в отличие от Intel, первые четырёхъядерные процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухъядерных кристаллов. Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода, первый «четырёхъядерник» фирмы, названный AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.

К 1 — 2 кварталу 2009 года обе компании обновили свои линейки четырёхъядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трёх моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трёхканального контроллера памяти типа DDR3 и технологии эмулирования восьми ядер полезно для некоторых специфических задач. Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7, является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel X58 и трёхканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

Компания AMD, в свою очередь, представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объём кэша по сравнению с первым поколением Phenom, процессоры стали изготавливаться по 45-нм техпроцессу. В целом, AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения ядро Yorkfield и весьма значительно отстаёт от Intel Core i7. С выходом 6-ядерного процессора AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T ситуация немного изменилась в пользу AMD.

По состоянию на 2013 год массово доступны процессоры с двумя, тремя, четырьмя и шестью ядрами, а также двух-, трёх- и четырёхмодульные процессоры AMD поколения Bulldozer количество логических ядер в 2 раза больше количества модулей. В серверном сегменте также доступны 8-ядерные процессоры Xeon и Nehalem Intel и 12-ядерные Opteron AMD.

2.8. Архитектура фон Неймана Кэширование

Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти так называемого кэша — англ. cache, от фр. cacher — «прятать» для хранения копий блоков информации из основной оперативной памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность время доступа, но малый размер, кроме того, кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить одновременно 64-битные запись и чтение, либо два 64-битных чтения за такт, AMD K8L может производить два 128-битных чтения или записи в любой комбинации. Процессоры Intel Core 2 могут производить 128-битные запись и чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большую латентность доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня — самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.

3. Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура отличается от архитектуры фон Неймана тем, что программный код и данные хранятся в разной памяти. В такой архитектуре невозможны многие методы программирования например, программа не может во время выполнения менять свой код; невозможно динамически перераспределять память между программным кодом и данными; зато гарвардская архитектура позволяет более эффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она часто применяется во встраиваемых системах.

4. Параллельная архитектура

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить по классификации Флинна:

• SISD — один поток команд, один поток данных;
• SIMD — один поток команд, много потоков данных;
• MISD — много потоков команд, один поток данных;
• MIMD — много потоков команд, много потоков данных.

4.1. Параллельная архитектура Цифровые сигнальные процессоры

Для цифровой обработки сигналов, особенно при ограниченном времени обработки, применяют специализированные высокопроизводительные сигнальные микропроцессоры англ. digital signal processor, DSP с параллельной архитектурой.

5. Процесс изготовления

Первоначально перед разработчиками ставится техническое задание, исходя из которого принимается решение о том, какова будет архитектура будущего процессора, его внутреннее устройство, технология изготовления. Перед различными группами ставится задача разработки соответствующих функциональных блоков процессора, обеспечения их взаимодействия, электромагнитной совместимости. В связи с тем, что процессор фактически является цифровым автоматом, полностью отвечающим принципам булевой алгебры, с помощью специализированного программного обеспечения, работающего на другом компьютере, строится виртуальная модель будущего процессора. На ней проводится тестирование процессора, исполнение элементарных команд, значительных объёмов кода, отрабатывается взаимодействие различных блоков устройства, ведётся оптимизация, ищутся неизбежные при проекте такого уровня ошибки.

После этого из цифровых базовых матричных кристаллов и микросхем, содержащих элементарные функциональные блоки цифровой электроники, строится физическая модель процессора, на которой проверяются электрические и временные характеристики процессора, тестируется архитектура процессора, продолжается исправление найденных ошибок, уточняются вопросы электромагнитной совместимости например, при практически рядовой тактовой частоте в 1 ГГц отрезки проводника длиной в 7 мм уже работают как излучающие или принимающие антенны.

Затем начинается этап совместной работы инженеров-схемотехников и инженеров-технологов, которые с помощью специализированного программного обеспечения преобразуют электрическую схему, содержащую архитектуру процессора, в топологию кристалла. Современные системы автоматического проектирования позволяют, в общем случае, из электрической схемы напрямую получить пакет трафаретов для создания масок. На этом этапе технологи пытаются реализовать технические решения, заложенные схемотехниками, с учётом имеющейся технологии. Этот этап является одним из самых долгих и сложных в разработке и иногда требует компромиссов со стороны схемотехников по отказу от некоторых архитектурных решений. Следует отметить, что ряд производителей заказных микросхем foundry предлагает разработчикам дизайн-центру или fabless компромиссное решение, при котором на этапе конструирования процессора используются представленные ими стандартизованные в соответствии с имеющейся технологией библиотеки элементов и блоков Standard cell. Это вводит ряд ограничений на архитектурные решения, зато этап технологической подгонки фактически сводится к игре в конструктор «Лего». В общем случае, изготовленные по индивидуальным проектам микропроцессоры являются более быстрыми по сравнению с процессорами, созданными на основании имеющихся библиотек.

Следующим, после этапа проектирования, является создание прототипа кристалла микропроцессора. При изготовлении современных сверхбольших интегральных схем используется метод литографии. При этом на подложку будущего микропроцессора тонкий круг из монокристаллического кремния либо сапфира через специальные маски, содержащие прорези, поочерёдно наносятся слои проводников, изоляторов и полупроводников. Соответствующие вещества испаряются в вакууме и осаждаются сквозь отверстия маски на кристалле процессора. Иногда используется травление, когда агрессивная жидкость разъедает не защищённые маской участки кристалла. Одновременно на подложке формируется порядка сотни процессорных кристаллов. В результате появляется сложная многослойная структура, содержащая от сотен тысяч до миллиардов транзисторов. В зависимости от подключения транзистор работает в микросхеме как транзистор, резистор, диод или конденсатор. Создание этих элементов на микросхеме отдельно, в общем случае, невыгодно. После окончания процедуры литографии подложка распиливается на элементарные кристаллы. К сформированным на них контактным площадкам из золота припаиваются тонкие золотые проводники, являющиеся переходниками к контактным площадкам корпуса микросхемы. Далее, в общем случае, крепится теплоотвод кристалла и крышка микросхемы.

Затем начинается этап тестирования прототипа процессора, когда проверяется его соответствие заданным характеристикам, ищутся оставшиеся незамеченными ошибки. Только после этого микропроцессор запускается в производство. Но даже во время производства идёт постоянная оптимизация процессора, связанная с совершенствованием технологии, новыми конструкторскими решениями, обнаружением ошибок.

Следует отметить, что параллельно с разработкой универсальных микропроцессоров разрабатываются наборы периферийных схем ЭВМ, которые будут использоваться с микропроцессором и на основе которых создаются материнские платы. Разработка микропроцессорного набора чипсета, англ. chipset представляет задачу, не менее сложную, чем создание собственно микросхемы микропроцессора.

В последние несколько лет наметилась тенденция переноса части компонентов чипсета контроллер памяти, контроллер шины PCI Express в состав процессора подробнее см.: Система на кристалле.

5.1. Процесс изготовления Энергопотребление процессоров

С технологией изготовления процессора тесно связано и его энергопотребление.

Первые процессоры архитектуры x86 потребляли очень маленькое по современным меркам количество энергии, составляющее доли ватта. Увеличение количества транзисторов и повышение тактовой частоты процессоров привело к существенному росту данного параметра. Наиболее производительные модели потребляют 130 и более ватт. Фактор энергопотребления, несущественный на первых порах, сейчас оказывает серьёзное влияние на эволюцию процессоров:

• появление сокетов разъемов для процессоров с большим числом контактов более 1000, большинство которых предназначено для питания процессора. Так, у процессоров для популярного сокета LGA775 число контактов основного питания составляет 464 штуки около 60 % от общего количества;
• интеграция в кристалл температурных датчиков и системы защиты от перегрева, снижающей частоту процессора или вообще останавливающей его при недопустимом увеличении температуры;
• совершенствование технологии производства для уменьшения потребления, поиск новых материалов для снижения токов утечки, понижение напряжения питания ядра процессора;
• появление энергосберегающих режимов для «засыпания» процессора при низкой нагрузке.
• изменение компоновки процессоров. Кристалл процессора переместился с внутренней на внешнюю сторону для лучшего отвода тепла к радиатору системы охлаждения;
• появление в новейших процессорах интеллектуальных систем, динамически меняющих напряжение питания, частоту отдельных блоков и ядер процессора, и отключающих неиспользуемые блоки и ядра;

5.2. Процесс изготовления Рабочая температура процессора

Ещё один параметр ЦП — максимально допустимая температура полупроводникового кристалла TJMax или поверхности процессора, при которой возможна нормальная работа. Многие бытовые процессоры работоспособны при температурах поверхности кристалла не выше 85 °C. Температура процессора зависит от его загруженности и от качества теплоотвода. При температуре, превышающей максимально допустимую производителем, нет гарантии, что процессор будет функционировать нормально. В таких случаях возможны ошибки в работе программ или зависание компьютера. В отдельных случаях возможны необратимые изменения внутри самого процессора. Многие современные процессоры могут обнаруживать перегрев и ограничивать собственные характеристики в этом случае.

5.3. Процесс изготовления Тепловыделение процессоров и отвод тепла

Для теплоотвода от микропроцессоров применяются пассивные радиаторы и активные кулеры.

5.4. Процесс изготовления Измерение и отображение температуры микропроцессора

Для измерения температуры микропроцессора, обычно внутри микропроцессора, в области центра крышки микропроцессора устанавливается датчик температуры микропроцессора. В микропроцессорах Intel датчик температуры — термодиод или транзистор с замкнутыми коллектором и базой в качестве термодиода, в микропроцессорах AMD — терморезистор.

6. Производители

Наиболее популярные процессоры сегодня производят:

• для суперкомпьютеров – Intel и IBM;
• для мобильных телефонов и планшетов – Apple, Samsung, HiSilicon и Qualcomm.
• для ускорителей компьютерной графики и высопроизводительных вычислений NVIDIA и AMD
• для персональных компьютеров, ноутбуков и серверов – Intel и AMD;

Большинство процессоров для персональных компьютеров, ноутбуков и серверов Intel-совместимы по системе команд. Большинство процессоров, используемых в настоящее время в мобильных устройствах ARM-совместимы, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования разрабатываемые в компании ARM Limited.

Процессоры Intel: 8086, 80286, i386, i486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Celeron упрощённый вариант Pentium, Pentium 4, Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core i3, Core i5, Core i7, Core i9, Xeon серия процессоров для серверов, Itanium, Atom серия процессоров для встраиваемой техники и др.

AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 и x86-64. Процессоры IBM используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple.

По данным компании IDC, по итогам 2009 года на рынке микропроцессоров для настольных ПК, ноутбуков и серверов доля корпорации Intel составила 79.7 %, доля AMD — 20.1 %.

Рыночные доли продажи процессоров для персональных компьютеров, ноутбуков и серверов по годам:

6.1. Производители Китай

• Семейство Loongson Godson
• Семейство YinHeFeiTeng FeiTeng
• Семейство ShenWei SW

7. Миф о мегагерцах

Среди потребителей распространено заблуждение, что процессоры с более высокой тактовой частотой всегда имеют более высокую производительность, чем процессоры с более низкой тактовой частотой. На самом деле, сравнение производительности на основании сравнения тактовых частот справедливо лишь для процессоров, имеющих одинаковую архитектуру и микроархитектуру.

Источник статьи: http://google-info.org/18874/1/tsentralnyy-protsessor.html