Процессор: назначение и техническая характеристика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Процессор: назначение и техническая характеристика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2013г.

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение

 

Выбранная тема реферата предполагает изучение вопросов о назначении процессора и его технических характеристиках. Для этого приходится разобраться в истории создания современного процессора, используемого в настоящее время в технике, а также дальнейшее развитие технологий цифровой обработки данных. Необходимость рассмотрения вопроса о назначении современного процессора очень важна, так как применение устройств обработки сигнала все возрастает. Необходимо также разобраться в вопросах о типах и характеристиках процессоров, представить основные тенденции развития вычислительной техники и как основной ее части – сердце любой техники, это микропроцессор.

Тема реферата «Процессор: назначение и технические характеристики» не может быть не интересной, так как именно процессор является основным средством обработки информации в любой современной технике, именно характеристики процессора говорят нам о производительности того или иного гаджета, компьютера, телефона и т.д. От эффективной работы процессора зависит насколько быстро устройство, оборудованное им справится с поставленными перед ними задачами. В свою очередь, другие компоненты системы призваны лишь поддержать работу процессора, либо сделать ее комфортной и безопасной. Жизнь современного человека сложно представить без компьютерной техники и других электронных устройств, использующих процессор. Так по данным современной статистики на одного жителя Японии приходится около 3 электронных устройств, которыми он используется только в автомобиле. Что говорить о других аспектах нашей жизни. Электронные устройства прочно вошли в нашу жизнь, и если резко исключить их сейчас многие могли бы пострадать. Невозможно себе представить, что управление сложнейшими процессами, например, на атомной станции будет доверено лишь человеческому мозгу и рукам, такой объем данных может обработать только современный процессор. Даже такая, казалось бы простая и повседневная работа по сбору и прогнозированию погоды подвержена анализу суппер-компьютера, использующего для обработки информации многие и многие процессоры, работающие как единый организм над поставленной перед ним задачей. А перспективы развития процессоров в будущем и соответственно электронной техники позволяют нам наедятся на то что будет создан искусственный интеллект и человека полностью можно будет заменить в опасных производствах и враждебных условиях окружающей среды, например при космических путешествиях.

Таким образом, тема данного реферата является актуальной. Исходя из актуальности темы, целью реферата является изучение теоретических основ возникновения и функционирования процессора, проведения анализа его назначения, а также изучение его развития и изменение технических характеристик.

 

Глава 1. История создания процессора

1.1 Предпосылки появления процессора и электронных вычислительных машин.

Предпосылками появления процессора, как составляющей системы вычислительного комплекса, напрямую связано с предпосылками создания самих вычислительных машин. Таким образом, для того чтобы разобраться с предпосылками появления процессора нам необходимо понять почему и как создавались машины для вычисления в истории человечества. Для этого сначала определим основные понятия, используемые в данном реферате.

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

Процессор это сердце и мозг любой вычислительной машины, который способен обрабатывать программный код и без которого невозможно совершение всех этих многочисленных, сложных операций современной техникой. И для того чтобы возникла возможность для комфортной работы с большим объемом данных современному человеку в истории развития вычислительной техники произошло немало событий. Пытливый человеческий ум всегда стремиться к оптимизации и совершенствованию это и породило эволюцию способов обработки данных и создание современных вычислительных машин и соответственно их процессоров.

Вычислительная машина – устройство или совокупность устройств, предназначенных для механизации и автоматизации процесса обработки информации (вычислений).

Для того чтобы подсчитать урожай, количество собранных налогов, средств государственной казны и т.д. человек сначала использовал пальцы, затем камни и ракушки и другие подручные средства. Но с течением времени сложность расчетов, а также объем обрабатываемых данных и данных для хранения все увеличивался. И изобретатели того времени поняли, что необходим язык для записи и хранения информации, а так же стали использовать механические приспособления для счета. Запись производилась системой условных знаков на различные носители, такие как: пергамент, деревянные бирки, каменные и глиняные таблички, бумага. Затем с появлением электричества появилась возможность создать машины для обработки и хранения данных. Первые представители вычислительных машин отличались ненадежностью и низкой производительностью, а так же их работе сопутствовало большое энергопотребление и большие габариты устройства. Основным языком программирования стал двоичный код, который представляет собой набор единиц и нулей в определенной последовательности, составляющих закодированный сигнал, который в свою очередь, складывается в обрабатываемую информацию. Быстрота обработки такого кода, а точнее частота операций в секунду и составляет основной показатель работы процессора – сердца ЭВМ. Определение частоты процессора дается во второй главе.

Дальнейшие предпосылки развития техники и создания современных процессоров были обусловлены научно-техническими революциями XX века, которые в свою очередь произошли из-за многочисленных военных конфликтов и развития индустриальной экономики. Таким образом, основным местом применения вычислительной техники и процессоров в них, становились крупные предприятия и военные разработки. Предпосылки использования процессоров в массовых гражданских и персональных компьютерах появились, когда удалось уйти от техники использовавшей лампы накаливания и изобрести компактные кремневые микропроцессоры. В итоге появились    всевозможные гаджеты востребованные всем человечеством такие как: телефоны, персональные компьютеры (ПК), сложная бытовая техника и т.д., основу которых составляет микропроцессор.

1.2 История создания современного процессора

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. Отличительной особенностью была 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 платам, устанавливаемым 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, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры), 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 создания 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.

Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали еще, 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.

 

 

 

Глава 2. Назначение и технические характеристики

2.1 Типы и технические характеристики процессоров

Ведущими производителями процессоров являются компании Intel и AMD каждая со своими типами процессоров. Одноядерные процессоры (Single Core)

Этот тип процессора, основанный на одноядерной архитектуре до недавнего времени был единственным типом процессора, который мог использоваться в домашних компьютерах. Одноядерный процессор мог выполнять только одну операцию одновременно, поэтому он не мог эффективно работать в средах, где требовалась многозадачность. Это означало, что при запуске более чем одного приложения снижалась производительность системы. Конечно, процессор мог начать выполнять другую операцию до окончания первой, но это влияло на производительность. Их производительность зависела от тактовой частоты, которая влияла на энергопотребление процессора.

Двуядерные процессоры (Dual Core)

Двуядерный процессор состоит из одного процессора с двумя ядрами и, следовательно, работает как два процессора в одном. В отличие от одноядерных систем, которые для решения другой задачи должен был переключаться на нее, двуядерные могут работать в режиме многозадачности намного более эффективно. Для этого программы и приложения, запускаемые на двуядерных процессорах должны иметь специальный код SMT (Simultaneous Multi-Threading). Двуядерные процессоры быстрее одноядерных, но сейчас они вытесняются новыми процессорами с четырьмя ядрами.

Четырехядерные процессоры (Quad Core)

Четырехядерные процессоры являются результатом продолжающегося совершенствования дизайна и характеристик многоядерных процессоров, созданных на базе одного. Также как и двуядерные процессоры четырехядерные позволяют разделить задачи между своими ядрами и еще больше увеличить многозадачность. Этот тип процессора будет полезен для тех, кому нужно выполнить одновременно несколько задач.

характеристики центрального процессора:

• тактовая частота
• количество ядер
• установленная кэш память
• вид оперативной памяти, с которой работает процессор
• сокет1
• частота системной шины.

Тактовая частота определяет, на какой частоте работает центральный процессор. За один такт может выполняться несколько операций. Чем выше частота, тем быстрее работает компьютер. Современные производительные процессоры выпускаются с тактовыми частотами от 1.8 до 4 Мгц (2 Мгц обозначает, что за секунду происходит 2 миллиона колебаний, во время которых происходит работа процессора).

Кэш память она работает как буфер. Данные для работы процессора поступают из оперативной памяти, но в силу того, что память медленнее, чем процессор, то процессор может часто простаивать. Чтобы этого не оказалось, между центральным процессором и оперативной памятью располагают кэш память, которая более быстрая, чем оперативная память.  Данные из оперативной памяти посылаются в кэш память и затем в центральный процессор. Существует несколько видов кэш памяти.

• кэш память 1го уровня. Объем ее составляет от 8 до 128 килобайт. (самая быстрая)
• кэш память 2го уровня. Размер ее может быть от 128 килобайт до нескольких мегабайт.
• кэш память 3го уровня

!Увеличение объема приводит к сложности процессора

Частота системной шины. Чем больше частота системной шины, тем больше данных передается за отрезок времени. Имеется другой показатель – пропускная способность шины. Он равен частоте системной шины, умноженной на количество бит, которые можно передать за один такт. Чем выше этот показатель, тем лучше.

Схема процессора (упрощенная)

 

2.2 Назначение процессоров

Назначение процессора исходит из его определения.

Центральный процессор — основное устройство ЭВМ2, которое наряду с обработкой данных выполняет функции управления системой:

• инициирование ввода-вывода,
• обработку системных событий
• управление доступом к основной памяти и т.п.

Глава 3. Перспективы развития процессоров

3.1 Технические характеристики процессоров в будущем

Какой он - процессор будущего? В настоящее время специалисты ведущих Hi-Tech компаний мира ведут разработки по созданию процессоров из прозрачных материалов.  И не только: разработчики полны надежд создать био компьютер – устройство, которое бы так критически не зависело от несовершенного аккумулятора. Однако, пока еще это все же относительно далекое будущее, ниже мы рассмотрим реалии ближайших лет.

Сегодня самым популярным материалом, из которого изготавливают процессоры, является кремний. Кремний себя зарекомендовал еще в древности: наши предки изготавливали из него орудия труда и оснастку для охоты - наконечники стрел, копья, топоры и т.п. Современный человек пошел намного дальше своих невежественных предков и создал на основе кремния процессор – сердце любого компьютерного или мобильного устройства. Кремний сослужил верную службу – с момента появления компьютерных технологий человечество в своем развитии совершило грандиознейший скачек. Однако его время, похоже, неумолимо подходит к концу.  
 
Одной из основных проблем процессоров на кремниевой основе есть не что иное, как их перегрев. Вместо кремния можно использовать любое соединение, которое обладает свойствами полупроводников. Альтернативные материалы, из которых могут быть изготовлены процессоры нового поколения, могут серьезно развязать руки разработчикам техники. Так, среди новых способностей машин могут быть ранее не доступные такие как: отказ от бинарной логики, передача информации со скоростью, превышающей световую в несколько раз, замена передачи электронов в транзисторах на химические реакции и т.д. Для наглядного примера можно привести открытие, сделанное учеными из Калифорнийского технического университета. Они смогли передавать информацию, используя не транзисторы, а элементы ДНК.