Процессор и его основные характеристики
Центральный процессор и его устройство
Структурная схема пк
Основные характеристики процессоров
Устройство процессора и его назначение
Структурная схема пк
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 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: 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 память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др. Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели. История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем. Первым этапом , затронувшим период с х по конец 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. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение. Вторым этапом , с середины х до середины х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платы, устанавливаемые в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление. Третьим этапом , наступившим в середине х годов, стало использование микросхем. Фирма Intel в году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор , 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. 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 , представленный 15 ноября года корпорацией Intel. Он содержал транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц [1] и стоил долл. Далее его сменили 8-разрядный Intel и разрядный , заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен дешевый , упрощенная версия , с 8-разрядной шиной данных. В процессоре появился защищённый режим с битной адресацией , позволявший использовать до 16 Мб памяти. Процессор Intel появился в году и привнёс улучшенный защищённый режим , 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 битную IA, а позже в битную x 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 EPIC-архитектура. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. В перспективе изменится материальная часть процессоров ввиду того, что технологический процесс достигнет физических пределов производства. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого Джоном фон Нейманом. 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. 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. 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. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:. 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: 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. 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: 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. 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. 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 качество загрузки и, соответственно, производительность теоретически должны быть выше. Например, Intel Itanium , Transmeta Crusoe и Efficeon. 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 году и имевший два ядра. В октябре года Sun Microsystems выпустила двухъядерный процессор UltraSPARC IV , который состоял из двух модифицированных ядер UltraSPARC III. В ноябре 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 года в продаже появились восьмиядерные UltraSPARC T2 , каждое ядро выполняло 8 потоков. Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L K 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. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач [4]. К 1—2 кварталу 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: 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 [5]. С выходом 6-ядерного процессора AMD Phenom II X6 Black Thuban T ситуация немного изменилась в пользу AMD. По состоянию на год массово доступны процессоры с двумя, тремя, четырьмя и шестью ядрами, а также двух-, трёх- и четырёх-модульные 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 ядерные Opteron AMD. 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 битные запись и чтение, либо два битных чтения за такт, AMD K8L может производить два битных чтения или записи в любой комбинации. Процессоры Intel Core 2 могут производить битные запись и чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большую латентность доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. 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. 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:. Для цифровой обработки сигналов , особенно при ограниченном времени обработки, применяют специализированные высокопроизводительные сигнальные микропроцессоры англ. 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. 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. 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. В последние несколько лет наметилась тенденция переноса части компонентов чипсета контроллер памяти, контроллер шины PCI Express в состав процессора подробнее см.: 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 и более ватт. Фактор энергопотребления, несущественный на первых порах, сейчас оказывает серьёзное влияние на эволюцию процессоров:. 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. Для теплоотвода от микропроцессоров применяются пассивные радиаторы и активные кулеры. Для измерения температуры микропроцессора, обычно внутри микропроцессора, в области центра крышки микропроцессора устанавливается датчик температуры микропроцессора. Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel , AMD и IBM. Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являются Intel -совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования, сходные с используемыми в процессорах компании Intel. Процессоры IBM POWER6 , POWER7 , Xenon , PowerPC используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple. Фирма Transmeta создала 2 микропроцессора на основе архитектуры VLIW: 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. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии , проверенной 26 мая ; проверки требуют 2 правки. У этого термина существуют и другие значения, см. Подробнее по этой теме см. Технологический процесс в электронной промышленности. Электронная промышленность России , МЦСТ. Wayne Johnson; John L. Evans, Peter Jacobsen, James Rick Thompson, Mark Christopher. The Changing Automotive Environment: EEE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS PACKAGING MANUFACTURING, VOL. The maximum rated ambient temperature for most silicon based integrated circuits is 85 C, which is sufficient for consumer, portable, and computing product applications. Devices for military and automotive applications are typically rated to C. Проверено 26 мая A review of data center cooling technology, operating conditions and the corresponding low-grade waste heat recovery opportunities. Renewable and Sustainable Energy Reviews 31 Гарвардская Фон Неймана Dataflow TTA. ASIP CISC EDGE EPIC MISC URISC RISC VLIW ZISC. Конвейер Внеочередное исполнение Переименование регистров Спекулятивное исполнение Предсказатель переходов Предвыборка кода. Бит Инструкций Суперскалярность Данных Задач. Многопоточность Superthreading Simultaneous multithreading Hyperthreading Аппаратная виртуализация. SISD SIMD MISD MIMD. DSP GPU SoC PPU Векторный процессор Математический сопроцессор Микропроцессор Микроконтроллер. Barrel shifter FPU BSB MMU TLB Регистровый файл Устройство управления АЛУ Демультиплексор Мультиплексор Микрокод Тактовая частота Корпус Регистры Кэш Кэш процессора. APM ACPI Clock gating Троттлинг Динамическое изменение напряжения. Материнская плата BIOS Процессор Энергозависимая память Оперативная память Запоминающее устройство с произвольным доступом Шины Порты Слоты расширения Карты расширения. Стример НГМД Дискета Жёсткий диск Твердотельный накопитель Флеш-память USB-флеш Кардридер Карта памяти Оптический привод CD DVD BD. Звуковая карта Видеокарта Монитор Брайлевский дисплей Акустическая система Устройства для создания "твёрдых копий" Принтер Широкоформатный принтер 3D-принтер Графопостроитель. Клавиатура Мышь Трекбол TrackPoint Тачпад Сенсорный экран Цифровая ручка Световое перо Графический планшет Сканер Плата видеозахвата. Аркадный контроллер Джойстик Руль Штурвал Педали Пистолет Колесо Геймпад Танцевальная платформа Трекер. Модем Сетевая плата Веб-камера Микрофон Гарнитура Наушники. Блок питания ИБП Сетевой фильтр Охлаждение. MCS MCS PIC AVR Z8 H8 COP8 68HC08 68HC MSP MCS MCS PIC24 MAXQ Nios 68HC12 68HC ARM MIPS AVR32 PIC32 XX M32R SuperH Nios II Am LatticeMico32 MPC5xx PowerQUICC Parallax Propeller. Analog Devices Atmel Silabs Freescale Fujitsu Holtek Hynix Infineon Intel Microchip Maxim Parallax NXP Semiconductors Renesas STMicroelectronics Texas Instruments Toshiba Ubicom Zilog Cypress Интеграл Миландр. Регистр Процессор SRAM EEPROM Флеш-память Кварцевый резонатор Кварцевый генератор RC-генератор Корпус. Таймер АЦП ЦАП Компаратор ШИМ -контроллер Счётчик LCD Датчик температуры Watchdog Timer. JTAG C2 Программатор Ассемблер Прерывание MPLAB AVR Studio MCStudio. Страницы, использующие волшебные ссылки ISBN. Навигация Персональные инструменты Вы не представились системе Обсуждение Вклад Создать учётную запись Войти. Пространства имён Статья Обсуждение. Просмотры Читать Текущая версия Править Править вики-текст История. В других проектах Викисклад. Эта страница последний раз была отредактирована 11 июня в Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike ; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия. Свяжитесь с нами Политика конфиденциальности Описание Википедии Отказ от ответственности Разработчики Соглашение о cookie Мобильная версия. Конвейер Конвейер Внеочередное исполнение Переименование регистров Спекулятивное исполнение Предсказатель переходов Предвыборка кода.
Момент инерции определяется по формуле
Характеристика s серый
Препарат иов малыш инструкция
Приглашениена работу образец
Дневник практики в росреестре
Где получить яндекс карту в москве