Микропроцессоры

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет                                 технологии и дизайна»

ИНСТИТУТ БИЗНЕС-КОММУНИКАЦИЙ

 

КАФЕДРА РЕКЛАМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Вычислительная техника и программирование»

Студентки группы 3 СЗ-10С

Пашковой Анастасии Валерьевны

Тема: «Микропроцессоры»

 

 

Проверил:________________________

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ……………………………………………………………………………………3

Глава 1 Важнейшие определения …………………………………………………………

1. Понятие микропроцессоры …………………………………………………………
2. Характеристика и структура микропроцессоров …………………………………

Глава 2 Устройство управления ………………………………………………………..

1. Арифметико-логическое устройство …………………………………………..
2. Микропроцессорная память …………………………………………………….
3. КЭШ-память …………………………………………………………………….
4. Интерфейсная часть микропроцессора ………………………………………..

Глава 3 Типы микропроцессоров ……………………………………………………..

3.1.  Архитектура микропроцессоров …………………………………………………

3.2.  История развития микропроцессоров ……………………………………………

Заключение ……………………………………………………………………………..

Список использованной литературы …………………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ    

  Важнейший компонент любого персонального - это его микропроцессор. Данный элемент в большей степени определяет возможности  вычислительной системы и, образно выражаясь, является его сердцем. До настоящего времени безусловным лидером в создании современных микропроцессоров остаётся фирма  Intel.

Микропроцессор, как правило, представляет из себя сверхбольшую интегральную схему, реализованную в едином полупроводниковом кристалле и способную выполнять функции центрального процессора. Степень интеграции определяется размерами кристалла  и количеством реализованных в нём транзисторов. Часто интегральными микросхемы  называют чипами (chips).   

  К обязательным компонентам микропроцессора относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство и блок управления. Они характеризуются скоростью (тактовой частотой), разрядностью или длинной слова (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд. Архитектура микропроцессора определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а также типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие типы данных: бит(один разряд), байт (8 бит), слово (16 бит), двойное слово (32 бита). Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью, портами ввода-вывода).    

  Под конвейерным режимом понимают такой вид обработки, при котором интервал времени, требуемый для выполнения процесса в функциональном узле (например, в арифметико-логическом устройстве) микропроцессора, продолжительнее, чем интервалы, через которые данные могут вводится в этот узел. Предполагается, что функциональный узел выполняет процесс в несколько этапов, то есть когда первый этап завершается, результаты передаются на второй этап, на котором используются другие аппаратные средства.

 

Разумеется, что устройство, используемое на первом этапе, оказывается свободным для начала новой обработки данных. Как известно, можно выделить четыре этапа обработки команды  микропроцессора: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. Иными словами, в ряде случаев пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться. С внешними устройствами микропроцессор может «общаться» благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенных на специальные контакты корпуса микросхемы. Стоит отметить,  что разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных.

Иначе говоря, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь, например только 16 линий внешних данных. Объём физически адресуемой микропроцессорной памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2 в степени N, где N - количество адресных линий.

ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.

Современный человек в повседневной жизни постоянно использует множество цифровых устройств, в том числе компьютер. Главной частью аппаратного обеспечения компьютера является микропроцессор.

В настоящее время используются разные архитектуры процессоров, я не считаю целесообразным описывать все их, а остановлюсь лишь на самых распространенных - процессорах х86 (х86 64) архитектуры.

Итак, микропроцессор это 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 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.

Целью данной контрольной работы является ознакомление с историей развития микропроцессора и его основами характеристиками.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

-ознакомление  с характеристиками микропроцессоров;

-ознакомление с историей микропроцессоров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1 ВАЖНЕЙШИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

     Прежде чем продолжить рассказ о микропроцессорах, напомним важные определения, которые пригодятся в дальнейшем. Любое внешнее устройство, совершающее по отношению к микропроцессору операции ввода-вывода, можно назвать периферийным.

Регистр представляет собой совокупность стабильных устройств ( то есть имеющих два устойчивых состояния), предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. В качестве таких устройств в интегральных схемах используют триггеры. Триггер в свою очередь выполнен на транзисторных переключателях (электронных ключах). В регистре из N триггеров можно запомнить слово из N бит информации.

Порт - это некая схема сопряжения, обычно включающая в себя один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющая подключить, например периферийное устройство к внешним шинам микропроцессора. Практически каждая микросхема использует для различных целей несколько портов ввода-вывода. Каждый порт персональном компьютере имеет свой уникальный номер. Заметим, что номера порта - это, по сути, адрес регистра ввода-вывода, причём адресные пространства основной памяти и портов ввода-вывода не пересекаются.

Под прерыванием понимается сигнал, по которому процессор узнаёт совершении некоторого асинхронного события. При этом исполнение текущей  последовательности команд приостанавливается (прерывается), а в место  неё начинает выполнятся другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Прерывания можно классифицировать как аппаратные, логические и программные.

Аппаратные прерывания обычно связаны с запросами от периферийных устройств (например, нажатие клавиши клавиатуры ), логические возникают при работе самого микропроцессора (деление на ноль), а программные инициализируются выполняемой программой и используются для вызова специальных подпрограмм.

 

Кроме того, прерывания могут быть маскируемыми, то есть при определённых условиях (например, запрете на определение прерывания) микропроцессор не обращает на них внимание, и немаскируемыми. В последнем случае, как правило, должны обрабатываться почти катастрофические  события (падение напряжения  питания или ошибка памяти).

В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективна такая передача данных в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена при передаче большого количества информации (например, при загрузке данных в память с внешнего накопителя).

Довольно часто для адресов, номеров портов, прерываний и т.д. используется шестнадцатеричная система счисления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПОНЯТИЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ

 

Основой ПК является центральное процессорное устройство (ЦПУ,CPU) или просто процессор. 

Процессор – это микросхема, которая вставляется в специальный разъем на материнской плате, и служит для обработки информации и двух видов операций: числовые операции и операции с плавающей точкой. Также в процессоре находится кэш память L1(level 1) и L2(level 2). Она используется для ускорения доступа к данным, находящимся в оперативной памяти.

Microprocessor — процессор, выполненный в одной либо нескольких взаимосвязанных интегральных схемах. Микропроцессор, как и любой другой процессор, является устройством, предназначенным для обработки или передачи данных. Иногда не имеет памяти, средств ввода/вывода данных. Эти задачи решаются внешними (по отношению к микропроцессору) интегральными схемами. Все чаще используются 32- и 64-разрядные микропроцессоры. Последние позволяют значительно увеличивать адресуемую память и размер файлов, с которыми работают.

Наряду с универсальными производятся специальные микропроцессоры. Каждый из них выполняет ограниченный набор функций, но он дешевле и потребляет меньше электроэнергии. На базе микропроцессоров создаются транспьютеры, выполняющие операции не только обработки, но и передачи данных. 

Процессор полностью собирается на одном чипе из кремния. Электронные цепи создаются в несколько слоев, состоящих из различных веществ, например, диоксид кремния играет роль изолятора, а поликремний — проводника.

Технология микропроцессоров в простейшем случае включает следующие обязательные этапы производства:

1. выращивание кремниевых заготовок и получение из них пластин;
2. шлифование кремниевых пластин;
3. нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2);
4. нанесение фоторезиста;
5. литографический процесс;
6. травление;
7. диффузия;
8. металлизация.

 

    Все перечисленные этапы используются для того, чтобы создать на кремниевой основе сложную структуру полупроводниковых планарных транзисторов (CMOS-транзисторов) и связать их должным образом между собой.

 

 

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРОВ

 

Тактовая частота микропроцессора - указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Кэш памяти - это очень быстрая память расположенная непосредственно в процессоре, делается это с целью минимизации задержек при обмене данными, т.к. оперативная память расположена достаточно далеко от процессора, и требует прохождения через дополнительные контроллеры, что так же негативно сказывается на быстродействии. В настоящее время встречается кэш память трёх уровней (L1,L2,L3), кэш первого уровня всегда самый быстрый и работает на частоте с процессором, она наиболее дорогая и имеет самый маленький объём, порядка 128-512 Кбайт даже в топовых процессорах. Чаще кэш L1 бывает разделяемый, пополам, на кэш инструкций и кэш адресов. Кэш L2 работает несколько медленнее, но имеет больший объём, до 8 ми Мбайт. Кэш же третьего уровня появился сравнительно недавно и обладает самым большим объёмом, до 16ти Мбайт, он соответственно самый медленный.

 

Дополнительные инструкции. Используемые дополнительные инструкции также помогают ускорить процесс обработки, в первую очередь это относится к типичным задачам, скажем обработки мультимедиа. Первыми предложила дополнительный набор инструкций компания Intel, этот набор назывался MMX (MiltiMedia eXtensions), и представляли собой готовый набор команд для обработки типичных мультимедиа задач, затем появилась 3D Now! от AMD, и прочие: SSE,SSE2,SSE3, … и т.д. Также производителя ми используются и другие технологии позволяющие ускорить вычислительный процесс, как например Hyper Threading от Intel, позволяющую одноядерный процессор рассматривать как двух ядерный за счет того, что во время простоя процессора, при ожидании выполнения команды каким то другим устройством, включить другой поток команд, независящий от первого.