Міністерство освіти та науки України Технічний коледж національного університету «Львівська політехніка» Реферат На тему: «Класифікація мікро процесорів та їх основні параметри» Тема 2 Зміст Введення 1. Класифікація, структура та основні характеристики мікропроцесорів ПК 1.1 Визначення мікропроцесора 1.2 Класифікація мікропроцесорів 1.3 Структура мікропроцесора 1.4 Основні характеристики мікропроцесорів ПК Список літератури Введення Найважливіший компонент будь-якого персонального комп'ютера - це мікропроцесор, який управляє роботою комп'ютера і виконує більшу частину обробки інформації. У сучасному світі важко знайти область техніки, де не застосовувалися б мікропроцесори. Актуальність цієї теми полягає в тому, що мікропроцесор комп'ютера є основою сучасної комп'ютерної техніки. Комп'ютерна техніка лежить в основі сучасного прогресу. Вона забезпечує роботу сучасних верстатів, контроль технологічних процесів на виробництві, зв'язок на всіх рівнях (від міждержавного до побутового). За допомогою неї проводяться складні і трудомісткі розрахунки, що значно прискорює процеси конструювання, розробки, фундаментальні дослідження, тобто задає темпи прогресу. І залежно від того, як буде в майбутньому мінятися потужність цієї маленької деталі, буде залежати продуктивність всієї комп'ютерної техніки в цілому. У мікропроцесорах - найскладніших мікроелектронних пристроях - втілені самі передові досягнення інженерної думки. В умовах властивої цієї галузі виробництва жорсткої конкуренції і величезних капіталовкладень випуск кожної нової моделі мікропроцесора, так чи інакше, пов'язані з черговим науковим, конструкторським, технологічним проривом. У мікропроцесорах знайшли відображення високі науково-технічні досягнення в області фізики твердого тіла, кристалографії, радіотехніки й електроніки, математики та автоматизації, кібернетики та електроніки. Відомі різні застосування мікропроцесорів. Найважливішими з них є: автоматизація електротехнічного обладнання, управління виробництвом, фізичне і математичне моделювання, обробка результатів експериментів, управління приладами і штучними органами в медицині, забезпечення безпеки руху на транспорті і т.д. Мета даної курсової роботи: розглянути класифікацію, структуру та основні характеристики мікропроцесорів ПК. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання: - розкрити основні поняття теми; - дати загальну схему класифікації мікропроцесорів; - розглянути структуру і основні характеристики мікропроцесорів ПК. Ця курсова робота виконана на комп'ютері Intel Pentium IV c програмним забезпеченням Windows XP і Microsoft Office 2003. 1. Класифікація, структура та основні характеристики мікропроцесорів ПК 1.1 Визначення мікропроцесора Мікропроцесор (МП) - це програмно-керований електронний цифровий пристрій, призначений для обробки цифрової інформації і керування процесом цієї обробки, виконане на одній або декількох інтегральних схемах з високим ступенем інтеграції електронних елементів. [2] Перші мікропроцесори з'явилися в 1970-х і застосовувалися в електронних калькуляторах, в них використовувалася двійково-десяткова арифметика 4-х бітних слів. Незабаром їх стали вбудовувати і в інші пристрої, наприклад термінали, принтери і різну автоматику. Доступні 8-бітні мікропроцесори з 16-бітної адресацією дозволили в середині 1970-х створити перші побутові мікрокомп'ютери. Довгий час центральні процесори створювалися з окремих мікросхем малої і середньої інтеграції, що містять від декількох одиниць до декількох сотень транзисторів. Розмістивши цілий ЦПУ на одному чіпі надвеликої інтеграції вдалося значно знизити його вартість. Незважаючи на скромний початок, безперервне збільшення складності мікропроцесорів призвело до майже повного застарівання інших форм комп'ютерів (див. історію обчислювальної техніки), в даний час один або кілька мікропроцесорів використовуються в якості обчислювального елемента у всім, від найдрібніших вбудованих систем і мобільних пристроїв до величезних мейнфреймів і суперкомп'ютерів. З початку 1970-х широко відомо, що зростання потужності мікропроцесорів слідує закону Мура, який стверджує що число транзисторів на інтегральній мікросхемі подвоюється кожні 18 місяців. В кінці 1990-х головною перешкодою для розробки нових мікропроцесорів стало тепловиділення (TDP) через витікання струму та інших факторів [1]. В даний час, в зв'язку з дуже незначним поширенням процесорів, які не є мікропроцесорами, в побутовій лексиці терміни «Мікропроцесорів» і «процесорів» практично рівнозначні. 1.2 Класифікація мікропроцесорів По числу великих інтегральних схем (ВІС) в мікропроцесорному комплекті розрізняють мікропроцесори одно кристальні, багато кристальні і багато кристальні секційні. Одно кристальний мікропроцесори виходять при реалізації всіх апаратних засобів процесора у вигляді однієї ВІС або НВІС (надвеликої інтегральної схеми). У міру збільшення ступеня інтеграції елементів в кристалі і числа висновків корпуса параметри одно кристальних мікропроцесорів поліпшуються. Однак можливості одно кристальних мікропроцесорів обмежені апаратними ресурсами кристала і корпуса. Для отримання багато кристального мікропроцесора необхідно провести розбивку його логічної структури на функціонально закінчені частини і реалізувати їх у вигляді БІС (НВІС). Функціональна закінченість БІС багато кристального мікропроцесора означає, що його частини виконують заздалегідь визначені функції і можуть працювати автономно. багато кристальний секційні мікропроцесори виходять у тому випадку, коли у вигляді БІС реалізуються частини (секції) логічної структури процесора при функціональному розбивці її вертикальними площинами. За призначенням розрізняють універсальні і спеціалізовані мікропроцесори. Універсальні мікропроцесори можуть бути застосовані для вирішення широкого кола різноманітних задач. При цьому їхня ефективна продуктивність слабко залежить від проблемної специфіки вирішуваних завдань. Спеціалізація МП, тобто його проблемна орієнтація на прискорене виконання визначених функцій дозволяє різко збільшити ефективну продуктивність при рішенні тільки визначених задач. Серед спеціалізованих мікропроцесорів можна виділити різні мікроконтролери, орієнтовані на виконання складних послідовностей логічних операцій, математичні МП, призначені для підвищення продуктивності при виконанні арифметичних операцій за рахунок, наприклад, матричних методів їхнього виконання, МП для обробки даних у різних областях застосувань і т. д. По виду оброблюваних вхідних сигналів розрізняють цифрові й аналогові мікропроцесори. Самі мікропроцесори - цифрові пристрої, однак можуть мати вбудовані аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі. Тому вхідні аналогові сигнали передаються в МП через перетворювач у цифровій формі, обробляються і після зворотного перетворення в аналогову форму надходять на вихід. З архітектурної точки зору такі мікропроцесори являють собою аналогові функціональні перетворювачі сигналів і називаються аналоговими мікропроцесорами. Відмінна риса аналогових мікропроцесорів здатність до переробки великого обсягу числових даних, тобто до виконання операцій додавання і множення з великою швидкістю при необхідності навіть за рахунок відмови від операцій переривань і переходів. За характером тимчасової організації роботи мікропроцесори поділяють на синхронні і асинхронні. Синхронні мікропроцесори - мікропроцесори, у яких початок і кінець виконання операцій задаються пристроєм керування (час виконання операцій в цьому випадку не залежить від виду виконуваних команд і величин операндів). Асинхронні мікропроцесори дозволяють початок виконання кожної наступної операції визначити по сигналу фактичного закінчення виконання попередньої операції. По організації структури мікропроцесорних систем розрізняють мікроЕОМ одно-і багато магістральні. У одно магістральних мікроЕОМ всі пристрої мають однаковий інтерфейс і підключені до єдиної інформаційної магістралі, по якій передаються коди даних, адрес і керуючих сигналів багато магістральні мікроЕОМ пристрої групами підключаються до своєї інформаційної магістралі. Це дозволяє здійснити одночасну передачу інформаційних сигналів по кільком (або всім) магістралям. Така організація систем ускладнює їх конструкцію, однак збільшує продуктивність. За кількістю виконуваних програм розрізняють одно-і багатопрограмні мікропроцесори одно програмних мікропроцесорах виконується тільки одна програма. Перехід до виконання іншої програми відбувається після завершення поточної програми. У багато-або мультипрограмних мікропроцесорах одночасно виконується кілька (зазвичай кілька десятків) програм. 1.3 Структура мікропроцесора Процесор - основна мікросхема комп'ютера, в якій і виробляються всі обчислення [3, с.80]. Властиво кажучи, процесор в комп'ютері не один - їх може бути цілий десяток! Власним процесором забезпечена відео плата, звукова плата, безліч зовнішніх пристроїв (наприклад, принтер). І часто по продуктивності ці мікросхеми можуть посперечатися з головним, центральним процесором. Але на відміну від нього, всі вони є вузькими спеціалістами - один відповідає за обробку звуку, інший - за створення тривимірного зображення. Основне і головне відміну центрального процесора - це його універсальність. При бажанні (і, зрозуміло, за наявності необхідної потужності і відповідного програмного забезпечення) центральний процесор може взяти на себе будь-яку роботу, в той час як процесор відео плати при всьому бажанні не зможе розкодувати, скажімо, музичний файл ... Будь процесор - це вирощений за спеціальною технологією кристал кремнію (не даремно на жаргоні процесор іменується «каменем»). Однак камінчик цей містить у собі безліч окремих елементів - транзисторів, з'єднаних металевими містками-контактами. Саме вони і наділяють комп'ютер здатністю «думати». Точніше, обчислювати, виробляючи певні математичні операції з числами, в які перетвориться будь-яка надходить в комп'ютер інформація. Безумовно, один транзистор ніяких особливих обчислень виробити не може. Єдине, на що здатний цей електронний перемикач - це пропустити сигнал далі або затримати його, залежно від подаваного на його «затвор» напруги. Наявність сигналу дає логічну одиницю (так); його відсутність - логічний ж нуль (Немає). Однак процесор - це не просто збіговисько транзисторів, а ціла система безлічі важливих пристроїв [4, с.38]. До складу мікропроцесора входять наступні пристрої. 1. Арифметико-логічний пристрій призначений для виконання всіх арифметичних і логічних операцій над числовою і символьною інформацією. 2. Пристрій управління координує взаємодію різних частин комп'ютера. Виконує наступні основні функції: формує і подає в усі блоки машини в потрібні моменти часу певні сигнали управління (керуючі імпульси), обумовлені специфікою виконання різних операцій; формує адреси комірок пам'яті, використовуваних виконуваної операцією, і передає ці адреси у відповідні блоки комп'ютера; отримує від генератора тактових імпульсів зворотну послідовність імпульсів. 3. Мікропроцесорна пам'ять призначена для короткочасного зберігання, запису та видачі інформації, використовуваної в обчисленнях безпосередньо в найближчі такти роботи машини. Мікропроцесорна пам'ять будується на регістрах і використовується для забезпечення високої швидкодії комп'ютера, так як основна пам'ять не завжди забезпечує швидкість запису, пошуку й зчитування інформації, необхідну для ефективної роботи швидкодіючого мікропроцесора [5]. Важливо також відзначити, що дані, які потрапили в деякі регістри, розглядаються не як дані, а як команди, що керують обробкою даних в інших регістрах [3, с.80]. 4. Кеш-пам'ять. Буферна пам'ять - своєрідний накопичувач для даних. У сучасних процесорах використовується два типи кеш-пам'яті: першого рівня - невелика (кілька десятків кілобайт) надшвидка пам'ять, і другого рівня - трохи повільніше, зате більше - від 128 кілобайт до 2 Мб [4, с.38]. 5. Процесор зв'язаний кількома групами провідників званих шинами. З іншими пристроями комп'ютера, і в першу чергу з оперативною пам'яттю. Основних шин три: шина даних, адресна шина і командна шина. 1. Адресна шина. Шина або частина шини, призначена для передачі адреси, а саме використовується ЦП для вибору необхідної комірки пам'яті або пристрою введення-виведення шляхом установки на шині конкретної адреси, що відповідає однієї з комірок пам'яті або одного з елементів введення-виведення, що входять в систему. 2. Шина команд. За ній передаються керуючі сигнали, призначені пам'яті і пристроям вводу-виводу. Ці сигнали вказують напрямок передачі даних (у процесор або з нього). 3. Шина даних - інформаційна магістраль, завдяки якій процесор може обмінюватися даними з іншими пристроями комп'ютера [3, с.80]. Важко повірити, що всі ці пристрої размешаются на кристалі площею не більше 4-6 квадратних сантиметрів! Тільки під мікроскопом ми можемо розгледіти крихітні елементи, з яких складається мікропроцесор, що з'єднують їх металеві В«доріжкиВ» (для їх виготовлення сьогодні використовується алюміній, однак уже приходить мідь) [4, с.38 ]. 1.4 Основні характеристики мікропроцесорів ПК Мікропроцесори відрізняються один від одного двома головними характеристиками: типом (моделлю) і тактовою частотою. Однакові моделі мікропроцесорів можуть мати різну тактову частоту - чим вище тактова частота, тим вище продуктивність і ціна мікропроцесора. Тактова частота вказує, скільки елементарних операцій (Тактів) мікропроцесор виконує в одну секунду. Тактова частота вимірюється в мегагерцах (МГц). Слід зауважити, що різні моделі мікропроцесорів виконують одні й ті ж операції за різне число тактів. Чим вище модель мікропроцесора, тим менше тактів потрібно для виконання одних і тих же операцій. Розглянемо характеристики процесорів більш докладно. 1. Тип мікропроцесора. Тип встановленого в компьютеpе мікропроцесора є головним фактором, визначає вигляд ПК. Саме від нього залежать обчислювальні можливості комп’ютера. В залежності від типу використовуваного мікропроцесора і визначених ним архітектурних особливостей комп’ютера розрізняютт п'ять класів ПК: - комп'ютери класу XT; - комп’ютерів класу AT; - комп’ютерів класу 386; - комп’ютерів класу 486; - комп’ютерів класу Pentium. 2. Тактова частота мікpопpоцесоpа - вказує, скільки елементарних операцій (тактів) мікропроцесор виконує за одну секунду. Генератор тактових імпульсів генерує послідовність електричних імпульсів. Частота генеруються імпульсів визначає тактову частоту машини. Проміжок часу між сусідніми імпульсами визначає час одного такту роботи машини, або просто такт роботи машини. Частота генератора тактових імпульсів є однією з основних характеристик персонального комп'ютера і багато в чому визначає швидкість його роботи, бо кожна операція в машині виконується за певну кількість тактів. 3. Швиткодія мікpопpоцесоpа - це число елементарних операцій, виконуваних мікpопpоцесоpа в одиницю часової (опеpаціі/секунда). 4. Розрядність пpоцесоpа - максимальна кількість розрядів двійкового коду, якому можуть обробляється або передається одночасно. 5. Архітектура мікpопpоцесоpа. Поняття архітектури мікропроцесора включає в себе систему команд і способи адресації, можливість суміщення виконання команд у часі, наявність додаткових пристроїв у складі мікропроцесора, принципи і режими його роботи. Відповідно до архітектурними особливостями, визначає властивості системи команд, розрізняють: - мікропроцесори типу CISC з повним набором системи команд; - мікропроцесори типу RISC з усіченим набором системи команд; - мікропроцесори типу VLIW зі надвеликим командним словом; - мікропроцесори типу MISC з мінімальним набором системи команд і вельми високою швидкодією і [6, с.32] Список літератури 1) Іванько А.Ф. Структура і архітектура мікропроцесорів сучасних персональних електронних обчислювальних машин. - Http://www.hi-edu.ru/x-books/glblinks/files/refs.htm 2) Єршова Н.Ю., Ивашенко О.М., Курсков С.Ю. Мікропроцесори. - dfe3300.kareliaru/koi/posob/microcpu/index.html 3) Інформатика. Базовий курс. 2-е видання/За ред. С. В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2004 - 640с. 4) Леонтьев В.П. Новітня енциклопедія персонального комп'ютера 2005. - М.: ОЛМА-ПРЕСС Освіта, 2005. - 800С. 5) Мікропроцесори. Структура мікропроцесора і його основні характеристики. shkola.lv/index.php?mode=cht&chtid=459 6) Майстренко А.В. Інформатика: Навчальний посібник. Ч.1. Тамбов: Вид-во Тамбов. держ. техн. ун-ту, 2002.